CAPITOLUL 1. OPERAIILE DE BAZ ALE TRATAMENTELOR TERMICE1.1. Definirea tratamentelor termice. Terminologie Tratamentele termice sunt procedee de prelucrare la cald, care, printr-o succesiune de operaii de nclzire, meninere i rcire, executate n condiii bine determinate, conduc la obinerea anumitor structuri i proprieti impuse produselor metalice. Scopul aplicrii tratamentelor termice l constituie, prin urmare, modificarea structurii i proprietilor iniiale. Prin aceasta ele se deosebesc de celelalte procedee de prelucrare (deformare plastic, sudare, prelucrri prin achiere), care urmresc modificarea formei i dimensiunilor produselor metalice. Dac ns, la aplicarea unui tratament termic, apar modificri de form i dimensiuni, acestea se produc accidental, n mod nedorit, i constituie inevitabil defecte de tratament. Produsul metalic este un corp metalic, de tip semifabricat, pies sau scul, supus unei anumite operaii de tratament termic. ncrctura metalic constituie totalitatea produselor metalice, supuse simultan aceleiai operaii de tratament. ncrctura metalic este complet definit, dac se cunoate numrul de produse, care o alctuiesc, i aezarea acestora n utilajul de tratament. Produsele metalice prezint o serie de caracteristici structurale, tehnologice i de exploatare, care se modific pe parcursul operaiilor de nclzire, meninere i rcire, executate n vederea realizrii unui anumit tratament termic. Caracteristicile structurale reprezint totalitatea mrimilor cu ajutorul crora se poate descrie complet structura unui material metalic dat. Acestea se refer la numrul, natura, proporia i morfologia (forma, dimensiunea i distribuia) fazelor i constituenilor structurali. Caracteristicile tehnologice reprezint ansamblul mrimilor de material, care definesc comportarea materialului metalic pe parcursul unei operaii de prelucrare. Aceste caracteristici rezult, de regul, prin corelarea mai multor proprieti i se exprim cantitativ cu ajutorul mai multor indicatori. Astfel, spre exemplu, pentru a aprecia deformabilitatea unui material, trebuiesc luate n considerare rezistena la deformare i plasticitatea acestuia. Denumirea caracteristicilor tehnologice este derivat, de obicei, din denumirea operaiei de prelucrare la care se refer. Astfel, comportarea materialelor metalice la deformare plastic este evaluat cu ajutorul deformabilitii, pentru sudare se folosete sudabilitatea, la turnare se utilizeaz turnabilitatea, iar pentru prelucrarea prin achiere se determin prelucrabilitatea prin achiere sau achiabilitatea. Excepie de la aceast regul fac tratamentele termice, unde nu exist o caracteristic cu denumire generic. Pentru a aprecia comportarea materialelor metalice la diferitele tratamente termice se utilizeaz mrimi cum sunt: 1 temperaturile critice de nceput, respectiv sfrit de transformare de faz n stare solid; 2 vitezele critice de rcire, care delimiteaz intervale ale vitezelor de rcire, care fac posibile anumite transformri; spre exemplu, n cazul transformrii martensitice, astfel de viteze sunt viteza critic inferioar (v1M), viteza semimartensitic (v50M) i viteza critic superioar (v100M); 3 susceptibilitatea la supranclzire; 4 susceptibilitatea la deformare i fisurare; 5 caracteristici, care definesc afinitatea chimic a materialului, din care este confecionat produsul, fa de mediul de nclzire i meninere. Caracteristicile de exploatare reprezint ansamblul mrimilor de material, care definesc comportarea acestuia fa de diferitele solicitri mecanice, fizice sau chimice la care este supus produsul n exploatare. Astfel de caracteristici sunt: limita de curgere, limita de rupere, alungirea, gtuirea, reziliena, conductivitatea electric sau termic, permeabilitatea magnetic, rezistena la coroziune, etc.

Tratamentele termice, care au drept scop obinerea anumitor caracteristici tehnologice, se numesc tratamente termice primare. Acestea se intercaleaz ntre operaiile din fluxul de fabricaie i pregtesc materialul n vederea executrii operaiei ulterioare aplicrii lor. Tratamentele termice, care au drept scop obinerea anumitor caracteristici de exploatare, se numesc tratamente termice finale. Ele se aplic unor produse metalice aflate n stadiile finale de prelucrare (avnd forma i dimensiunile finite). 1.2. Clasificarea tratamentelor termice Considernd materialul metalic supus unui tratament termic ca fiind un sistem termodinamic, alctuit din una sau mai multe faze, starea sa poate fi caracterizat cu ajutorul energiei libere Helmholtz: F=U-TS, (1.1) unde: F, [J] energia liber; U, [J] energia intern; T, [K] temperatura ; J S entropia. S Dac se difereniaz expresia energiei libere se obine: dF = dU - TdS - SdT (1.2) Din ecuaia generalizat a primelor dou principii ale termodinamicii pentru procese reversibile rezult: TdS = dU + pdV (1.3) Fiind dat faptul c volumul produsului se menine constant (V = ct.) i deci dV = 0, relaia (1.2) devine: dF = SdT, sau (1.4) dF dT = S < 0 . (1.5) ntruct entropia ia numai valori pozitive, rezult c derivata nti a energiei libere cu temperatura este negativ, ceea ce nseamn c, la creterea temperaturii, energia liber a sistemului scade. Derivata a doua a energiei libere cu temperatura este negativ: (1.6) deoarece entropia caracterizeaz gradul de dezordine al unui aranjament de atomi i crete la ridicarea temperaturii (dS/dT>0). n consecin, variaia energiei libere cu temperatura este descris de o curb F = f(T) descresctoare i concav (fig.1.1). Pentru fiecare stare a materialului metalic se poate trasa cte o curb de forma celei din figura 1.1. Dac, ntr-un interval de temperatur dat, sunt posibile mai multe stri ale materialului, atunci fiecreia i corespunde o curb F = f(T). Dintre acestea, starea pentru care: F = min. (1.7) reprezint starea de echilibru stabil. Astfel, spre exemplu, dac sunt posibile dou stri ale materialului, notate cu 1 i 2 (fig.1.2), ale cror curbe de variaie a energiei libere cu temperatura se Fig. 1.1. Variaia energiei intersecteaz ntr-un punct dat (la T0), la temperaturi mai mici dect libere cu temperatura pentru T0 va fi stabil starea 1, iar la temperaturi mai mari dect T0, starea 2. o stare dat a materialului Temperatura T0, la care energiile libere ale celor dou stri metalic sunt egale, se numete temperatur de echilibru. La aceast temperatur, strile 1 i 2 se afl n echilibru termodinamic. Dac ns materialul este rcit la temperatura Tr, el va trece n starea 1, ntruct: Fr = F2Tr F1Tr > 0. (1.8) Fr se numete for motrice a transformrii, iar diferena dintre temperatura de echilibru i temperatura de transformare la rcire (Tr) poart numele de grad de subrcire:

T r = T0 (1.9) Dac se procedeaz la nclzirea materialului peste T0, spre exemplu la temperatura T, materialul va trece n starea 2. n aceast situaie, fora motrice a transformrii 1 2, produs la T este: F = F1T F2T > 0, (1.10) iar gradul de supranclzire: T = T T0. (1.11) Considernd drept criteriu de clasificare a Fig. 1.2. Variaia cu temperatura a energiilor libere tratamentelor termice variaia cu temperatura a diferenei de energie liber dintre starea iniial (1) ale strilor 1 i 2 i starea final (2), tratamentele termice se clasific n: 1 recoaceri; 2 cliri; 3 reveniri i mbtrniri. Recoacerile au drept scop aducerea materialului metalic n stri structurale i de tensiuni interne de (sau apropiate de) echilibru. Ele urmresc diminuarea sau eliminarea complet a unor efecte, aprute n urma operaiilor de prelucrare anterioare, sau pregtesc operaii tehnologice ulterioare. Dup aplicarea unei recoaceri, structura obinut corespunde indicaiilor diagramelor de echilibru n ceea ce privete numrul, natura i proporia fazelor i constituenilor structurali. Recoacerile pot fi de dou feluri: 1 recoaceri fr transformri de faz n stare solid; 2 recoaceri cu transformri de faz n stare solid n cazul recoacerilor fr transformri de faz n stare solid, nclzirea se realizeaz la temperaturi inferioare temperaturilor critice, astfel nct pe parcursul nclzirii, meninerii i rcirii nu se modific numrul, natura i/sau proporia fazelor, care alctuiesc structura materialului. Astfel de recoaceri sunt: recoacerea de recristalizare i recoacerea de detensionare. Curbele de variaie a energiei libere, pentru starea iniial i final a materialului, nu se intersecteaz n nici un punct (fig.1.3). Tr,

Fig.1.3. Curbele de variaie a energiei libere cu temperatura pentru strile iniial (1), final (2) i de echilibru la recoacerile fr transformri de faz n stare solid

Fig.1.4. Curbele de variaie a energiei libere cu temperatura pentru strile iniial (1) i final (2) la recoacerile cu transformri de faz n stare solid

Aa cum rezult din figura 1.3., indiferent de temperatur (T), energia liber a strii iniiale (F1T) este mai mare dect energia liber a strii finale (F 2T), deci trecerea materialului din starea 1 n starea 2 este posibil din punct de vedere termodinamic n orice moment. Pentru ca aceast trecere, care se realizeaz prin difuzie, s se amorseze i s se produc ntr-un interval de timp acceptabil, trebuie ns ntotdeauna s se recurg la nclzirea materialului.

La recoacerile cu transformri de faz n stare solid nclzirea materialului se face la temperaturi superioare temperaturilor critice, aa nct, n timpul nclzirii, meninerii i rcirii se produc modificri ale numrului, naturii i/sau proporiei fazelor din structura materialului. Este, spre exemplu, cazul recoacerii de omogenizare, al recoacerii de regenerare i al recoacerii pentru mbuntirea prelucrabilitii prin achiere. Curbele de variaie a energiei libere cu temperatura, pentru starea iniial i final, se intersecteaz ntr-un punct (fig.1.4). La temperatura T0 , materialul se afl n echilibru. Pentru a face posibil trecerea acestuia din starea 1 n starea 2, n condiiile n care structura rezultat s corespund diagramelor de echilibru, el trebuie rcit cu o vitez redus, astfel nct transformarea 1 2 s se produc la un grad de subrcire mic (la o temperatur T inferioar, dar apropiat de T 0). Fora motrice necesar este i ea relativ redus: F = F1T F2T > 0. (1.12) Cea de-a doua grup de tratamente termice o constituie clirile. Scopul aplicrii lor l constituie aducerea materialului metalic n stri structurale i de tensiuni interne n afara echilibrului. Aceasta se realizeaz prin nclzirea materialului peste temperaturile critice, n domeniul de existen al unei structuri monofazice de tip soluie solid, meninerea un timp suficient pentru transformarea structurii iniiale i apoi rcirea rapid, astfel nct s se fixeze soluia solid de temperatur nalt pn la temperatura camerei, unde devine suprasaturat n elementul (sau elementele) dizolvate. Din aceast categorie de tratamente fac parte: clirea martensitic, clirea bainitic i clirea pentru punere n soluie. i n acest caz, curbele de variaie a energiei libere cu temperatura, pentru starea iniial i final, se intersecteaz ntr-un punct, la To (fig.1.5).

Fig.1.5.Curbele de variaie a energiei libere cu temperatura pentru strile iniial (1) i final (2)

Fig.1.6. Curbele de variaie a energiei libere cu temperatura pentru strile iniial (1), final (2) i de echilibru la revenire sau mbtrnire

Pentru a realiza clirea materialului, rcirea trebuie efectuat cu viteze foarte mari (superioare vitezelor critice de clire), care s asigure suprimarea parial sau total a difuziei. n aceste condiii, trecerea materialului din starea iniial n cea final se produce la grade de subrcire (T) mari, la care i forele motrice (F) sunt importante. Acestea fac posibil transformarea la rcire prin mecanism bainitic sau martensitic, mecanisme care presupun deplasri coordonate i colective ale unui numr mare de atomi. Cea de-a treia grup de tratamente termice o constituie revenirile i mbtrnirile. Acestea se aplic n scopul readucerii materialelor metalice clite n prealabil n stri structurale i de tensiuni interne apropiate de echilibru. Dac urmeaz dup o clire martensitic, tratamentul se numete revenire, iar dac este precedat de o clire pentru punere n soluie, mbtrnire. Curbele de variaie a energiei libere cu temperatura, pentru starea iniial i final, nu se intersecteaz n nici un punct (fig.1.6),deci trecerea spre starea de echilibru este posibil la orice temperatur (T). Pentru amorsarea transformrii i asigurarea unei durate de transformare rezonabile, se procedeaz ns, de regul (excepie face mbtrnirea natural a aliajelor

neferoase), la nclzirea materialului la o temperatur superioar celei ambiante, dar inferioar temperaturilor critice de transformare de faz n stare solid. n urma aplicrii unei reveniri sau mbtrniri, soluia solid suprasaturat, obinut prin clire, se descompune ntr-un amestec bifazic format dintr-o soluie solid cu un grad mai mic de suprasaturare (sau chiar soluia solid de echilibru) i precipitate secundare de compus AmBn. Gradul de descompunere este dependent direct de temperatura de nclzire. 1.2. Reprezentarea tratamentelor termice Tratamentele termice se realizeaz printr-o succesiune de operaii de nclzire, meninere i rcire, efectuate n condiii bine determinate, astfel nct s conduc la obinerea structurii i proprietilor dorite. Aceste operaii se numesc operaii de baz ale tratamentelor termice. Graficul, reprezentnd succesiunea n timp a celor trei operaii, se numete ciclogram sau ciclu de tratament termic. Reprezentarea se face n coordonate temperatur timp (T - t) i se traseaz curbele de variaie a temperaturii n timpul nclzirii, meninerii i rcirii pentru diferite puncte din seciunea produsului. De regul, astfel de curbe se realizeaz pentru suprafaa i centrul produsului metalic, ntruct se poate astfel vizualiza i evoluia n timp a gradului de uniformitate a nclzirii (fig.1.7). n graficul din figura 1.7 s-au folosit urmtoarele notaii: Tm temperatura mediului de nclzire; Tinc temperatura de tratament termic; Ts temperatura suprafeei produsului; Tc temperatura centrului produsului; To temperatura iniial a produsului; Trc temperatura final a produsului. Operaiile de baz se definesc cu ajutorul unor parametrii tehnologici specifici, care determin rezultatul final al tratamentului termic aplicat. Acetia se stabilesc, n principal, n funcie de tipul Fig.1.7. Reprezentarea grafic a unui ciclu tratamentului termic, de produsul metalic tratat i de simplu de tratament termic utilajul de tratament utilizat. Prima operaie a oricrui tratament termic este nclzirea. Ea se ncheie n momentul n care temperatura suprafeei produsului metalic a atins valoarea temperaturii de tratament. Pentru a defini nclzirea trebuiesc stabilii urmtorii parametrii: 1 temperatura de nclzire (Tnc); mediul de nclzire sunt de interes: natura, temperatura i gradul de agitare. Mediul de nclzire influeneaz att asupra duratei de nclzire (prin mrimea coeficientului de schimb superficial de cldur, ), ct i asupra strii suprafeei produselor nclzite (prin interaciunea chimic cu materialul metalic: oxidare-reducere, carburare-decarburare); durata de nclzire (tnc) reprezint durata de timp necesar pentru ca temperatura suprafeei (Ts) s ajung la valoarea temperaturii de tratament termic (Tinc); viteza de nclzire (vinc) este o mrime derivat, dependent de variaia n timp a temperaturii i se poate exprima n dou moduri: 1 a) prin viteza medie de nclzire, calculat pe anumite intervale de timp: (1.13) Spre exemplu, vitezele medii de nclzire pentru suprafaa i centrul produsului metalic, calculate pe durata complet a operaiei de nclzire, sunt: ,pentru suprafa i (1.14)

,pentru centru. (1.15) 1 b) prin viteza momentan, care se poate determina, la rndul ei, n dou moduri. Astfel, dac se cunoate expresia matematic a funciei T(t), viteza de nclzire realizat la momentul t1 este egal cu derivata temperaturii n funcie de timp, calculat n punctul considerat, respectiv: (1.16) Totodat, viteza de nclzire la momentul t1 se poate determina i grafic, ca pant a curbei de variaie a temperaturii n punctul respectiv: (1.17) n funcie de mrimea sa, viteza de nclzire se exprim n [grad/h], [grad/min] sau [grad/s]. Ea poate lua valori de la 20 30 [grad/h] la detensionare, pn la 100 [grad/s], la nclzirea pentru clire superficial. Cea de-a doua operaie de baz a tratamentelor termice este meninerea. Ea trebuie s asigure realizarea a dou obiective: 1 uniformizarea temperaturii pe seciunea produsului durata de timp aferent se numete timp de egalizare (teg). La sfritul acestei prime etape, temperatura suprafeei este aproximativ egal cu aceea a centrului (Ts Tc); 2 producerea transformrilor n ntreg volumul produsului metalic durata de timp corespunztoare se numete durat de transformare (ttr). Meninerea este complet definit dac se cunosc cele dou durate de timp: de egalizare i de transformare, prin nsumarea crora se obine durata total de meninere (tmen). Dup meninerea la temperatura de tratament, produsele metalice tratate termic trebuiesc readuse la temperatura ambiant. Operaia, care realizeaz acest obiectiv, se numete rcire. Parametrii tehnologici, care definesc aceast ultim operaie de baz, sunt: 1 temperatura de rcire Trc; 2 durata de rcire (trc) poate varia de la cteva secunde, pn la zeci de ore, n funcie de tipul tratamentului termic; 3 viteza de rcire (vrc) variaz n limite foarte largi, de la 20 - 30 [grad/or], la unele recoaceri, la cteva sute de grade pe secund la unele cliri. La fel ca i n cazul nclzirii, se pot determina viteze medii sau momentane de rcire. 4 mediul de rcire trebuiesc stabilite natura, temperatura i gradul de agitare, pentru a putea evalua intensitatea schimbului de cldur i interaciunea chimic cu suprafaa produsului. 1.4. nclzirea 1.4.1. Noiuni introductive Pentru stabilirea tehnologiei de nclzire volumic a produselor metalice, trebuiesc parcurse succesiv urmtoarele etape: 1 alegerea temperaturii de nclzire; 2 alegerea utilajului de nclzire; 1 alegerea regimului de nclzire; 2 calculul coeficientului de schimb superficial de cldur pentru mediul de nclzire ales; 3 calculul caracteristicilor termofizice ale materialului supus nclzirii; 4 calculul vitezelor maxime admisibile de nclzire; 5 stabilirea modului de alctuire a ncrcturii i de aezare a produselor metalice n cuptor; 6 calculul duratei de nclzire. 7 1.4.2. Alegerea temperaturii de nclzire

Alegerea temperaturii de nclzire se face n funcie de: tipul tratamentului termic aplicat; compoziia chimic a materialului supus tratamentului. Se poate opta, n acest scop, pentru una dintre urmtoarele metode: 1 utilizarea indicaiilor din standardul de material sau alte normative - aceasta este calea cea mai simpl i mai rapid, dar asigur precizia cea mai redus; 2 utilizarea diagramelor de echilibru - aceast metod poate fi aplicat numai n cazul aliajelor binare i ternare, pentru care n literatura de specialitate exist diagrame de echilibru; 3 stabilirea temperaturii de nclzire n funcie de valoarea temperaturilor critice de transformare. Acestea se pot determina prin calcul, utiliznd relaii empirice aproximative, sau pe cale experimental. Formulele matematice permit calculul temperaturilor de transformare n funcie de compoziia chimic, precizia fiind acceptabil. Aceast metod poate fi ns aplicat numai pentru materialele a cror compoziie se ncadreaz ntre limitele de valabilitate ale unor astfel de formule. Spre exemplu, pentru oelurile slab aliate semidure relaiile sunt de forma: Ac1 = 723 14 (Mn+Ni) + 22 (Si+Cr) (1.18) Ac3 = 854 180 C 14 Mn 18 Ni + 45 Si + 1,7Cr , (1.19) dac compoziia chimic se ncadreaz ntre urmtoarele limite: C = 0,3 - 0,6 % ; Mn 2 % ; Si 1 % ; Ni 3,5 % ; Cr 1,5 % ; Mo 0,5 %. Cea mai mare precizie n ceea ce privete determinarea temperaturilor de nceput i de sfrit de transformare de faz n stare solid pentru un material dat este asigurat de metodele experimentale. Dintre acestea, cele mai des utilizate sunt: analiza termic, analiza dilatometric i metoda clirilor succesive. Analiza termic se bazeaz pe faptul c transformrile de faz n stare solid, care au loc n materialele metalice, sunt nsoite de efecte termice (degajare sau absorbie de cldur latent de transformare). n consecin, punctele de inflexiune sau palierele, care apar pe curbele de rcire (T t), marcheaz poziiile temperaturile critice de transformare (fig.1.8). 1 2

Fig.1.8. Curbe de rcire: a transformare n intervalul de temperaturi T1 T2; b transformare izoterm la T1

Analiza dilatometric se bazeaz pe faptul c transformrile de faz n stare solid sunt nsoite de variaii volumetrice. Drept urmare, la temperaturile de nceput i de sfrit de transformare de faz n stare solid, pe curba dilataie (l) - temperatur (T) apar puncte de inflexiune (fig.1.9). Metoda clirilor succesive este o metod aplicabil oelurilor clibile la martensit. Ea permite determinarea temperaturilor Ac1 i Ac3, respectiv Ac cem. n acest scop, din materialul metalic se confecioneaz mai multe probe identice, care se nclzesc i se menin, aceeai durat de timp, la temperaturi diferite. Dup meninere, probele se rcesc n ap i apoi se msoar duritatea obinut. Pe curba de variaie a duritii n funcie de temperatura de nclzire rezult puncte de inflexiune la temperaturile critice (fig.1.10).

Fig.1.9. Curbele dilatometrice pentru nclzirea i rcirea unui oel hipoeutectoid

Fig.1.10. Variaia duritii dup clire n funcie de temperatura de nclzire pentru un oel hipoeutectoid

1.4.3. Alegerea utilajului de nclzire Circa 60 70% din utilajele aflate n dotarea seciilor de tratamente termice sunt utilaje de nclzire. Alegerea utilajului de nclzire se face innd cont de: 1 tipul tratamentului termic aplicat; 2 produsul metalic care se trateaz (form, dimensiune, material); 3 modul de alctuire a arjei; 4 condiiile impuse pentru suprafaa produsului; 5 dotarea existent n secia de tratament. Utilajele de nclzire sunt de dou tipuri: cuptoare i instalaii de nclzire. Cuptoarele, la rndul lor, pot fi cu camer sau cu baie de nclzire. n cazul cuptoarelor cu camer, nclzirea se efectueaz n spaii nchise, n atmosfer gazoas. Ele sunt definite de o serie de caracteristici constructive i tehnologice, care trebuiesc luate n considerare, n momentul alegerii lor pentru executarea unui anumit tratament termic: 1 dimensiunile spaiului de lucru [B x L x H]; 2 ncrctura maxim [kg]; 3 intervalul temperaturilor de utilizare [0C]; 4 tipul atmosferei din spaiul de lucru; 5 natura sursei termice; 6 consumul specific de energie [KW] sau [Nm3/h]; 1 productivitatea [kg/h], care se exprim n funcie de tipul tratamentului termic (recoacere, clire sau revenire). Principalele criterii de clasificare ale cuptoarelor cu camer sunt: a) intervalul temperaturilor de utilizare (Tut) - din acest punct de vedere, cuptoarele cu camer pot fi: a1) cuptoare pentru temperaturi joase (Tut < 650 0C) (fig.1.12); a2) cuptoare pentru temperaturi medii (Tut = 650 1 000 oC); a3) cuptoare pentru temperaturi nalte (Tut > 1 000 0C) (fig.1.13). b) natura sursei termice - se deosebesc astfel: b1) cuptoare cu flacr (cu combustibil gazos (fig.1.11, 1.12/b, 1.14), lichid sau solid); b2) cuptoare electrice (cu rezistori (fig.1.12/a, 1.13, 1.15) sau cu inducie). c) modul de funcionare: c1) cu funcionare continu; c2) cu funcionare discontinu. d) dup direcia de manevrare a produselor tratate: d1) cuptoare orizontale (fig.1.11); d2) cuptoare verticale (fig.1.12, 1.13). Toate tipurile de cuptoare cu camer prezentate pot fi prevzute cu sisteme de manevrare mecanizat a ncrcturii i pot lucra cu atmosfer normal sau controlat.

Fig.1.11. Cuptor cu camer cu vatr orizontal fix, nclzit cu flacr: 1 vatr; 2 camer de ardere; 3 spaiul de lucru; 4 dispozitiv de acionare a uii; 5 u.

Fig.1.12. Cuptor vertical de temperatur joas: a-cu ventilator plasat n partea inferioar; 1-capac; 2-co pentru piese; 3-ventilator; 4-rezistoare electrice; b-cu turbin (ciclon); 1-arztor; 2-turbin; 3-co pentru piese; 4-ajutaj de evacuare gaze arse;5-capac

Fig.1.13. Cuptor vertical de temperatur nalt: 1-capac; 2-ventilator; 3-retort; 4-couri pentru piese; 5-rezistoare electrice; 6-conduct de admisie a atmosferei de lucru; 7-conduct de evacuare a gazelor

n cazul cuptoarelor cu bi, nclzirea se realizeaz n creuzete metalice sau nemetalice, n care se afl metale topite, amestecuri de sruri topite sau uleiuri. Baia se poate nclzi din exterior, cu flacr (fig.1.14) sau cu rezistori (fig.1.15), sau din interior, cu electrozi scufundai n baie.

Fig.1.14. Cuptor cu baie de sruri nclzit cu flacr: 1-manta metalic; 2-zidrie din diatomit; 3-camer de ardere; 4-arztoare; 5-orificiu de aprindere; 6-canal de fum; 7-evacuare n caz de varie; 8-creuzet

Fig.1.15. Cuptor cu baie de sruri nclzit electric: 1-manta metalic; 2-crmid refractar; 3-cptueal termoizolant; 4-rezisten electric; 5-plac din font;6-creuzet; 7-canal de scurgere n caz de avarie; 8-capac; 9-termocuplu

Fa de cuptoarele cu camer, cuptoarele cu bi prezint o serie de avantaje, cum sunt: uniformitate mai bun a nclzirii, viteze mai mari de nclzire i protecia produselor tratate fa de oxidare i decarburare. n acelai timp ns, trebuie avut n vedere faptul c ele implic condiii grele i nocive de lucru i consumuri deosebit de ridicate de energie, necesare pentru nclzirea bii i meninerea ei la temperatur, ntruct pierderile termice sunt foarte mari (n special pe oglinda bii). n plus, fiind dat durata ndelungat de punere n funciune, cuptoarele cu bi presupun funcionarea nentrerupt pe perioade lungi de timp. Instalaiile de nclzire se utilizeaz, de regul, pentru nclzirea rapid a suprafeei produselor metalice (clire superficial), dar uneori se pot folosi i pentru nclzirea n profunzime a unor repere mici. Ele pot fi electrice (instalaii de nclzire direct cu curent electric, instalaii de nclzire electric prin contact, instalaii de nclzire superficial prin cureni de nalt frecven (CIF) i instalaii de nclzire n electrolit) sau cu flacr oxiacetilenic (utilizate la clirea superficial a produselor de dimensiuni mari: roi dinate, bandaje, etc.).

1.4.4. Alegerea regimului de nclzire n practica tratamentelor termice se utilizeaz, n principal, urmtoarele trei regimuri de nclzire: 1 nclzirea n cuptor cu temperatura constant, respectiv n condiii: Tm= ct.; 2 nclzirea cu vitez constant, respectiv n condiii: v nc = ct., TS = T0 + vinc . t ; 1 nclzirea n cuptoare cu bi, respectiv n condiii: Ts = ct. nclzirea n cuptor cu temperatura constant se realizeaz practic prin introducerea produsului rece n cuptorul aflat la o temperatur cu puin superioar temperaturii de tratament termic i care se menine constant pe toat durata nclzirii: Tm= Tinc + (10 - 30) oC. (1.20) n figura 1.16 este reprezentat variaia n timpul nclzirii a temperaturii mediului, suprafeei i centrului produsului i, corespunztor, variaia cderii de temperatur pe seciune (T = TS TC). De asemenea, s-a redat evoluia n timp a fluxului termic q [W/m2], dat de relaia: q = (Tm - Ts), (1.21) 2 unde: [W/m K] - coeficientul de schimb superficial de cldur. Avantajele acestui regim de nclzire, cel mai des utilizat n practic, constau n aceea c este simplu de realizat i asigur durate de nclzire reduse. n timpul nclzirii ns, iau natere cderi mari de temperatur pe seciunea produsului, ceea ce reduce sfera de aplicabilitate a metodei la reperele de dimensiuni relativ reduse, avnd Fig.1.16. Regimul de nclzire n condiii forme simple i fiind confecionate din materiale cu Tm = constant plasticitate ridicat (oeluri carbon i slab aliate, fonte i aliaje neferoase). n cazul produselor cu configuraie complex, realizate din oeluri aliate, se aplic adesea o variant a acestui regim, nclzirea cu treapt de prenclzire, variant care se realizeaz practic prin utilizarea a dou cuptoare, meninute ambele la temperatur constant: primul la temperatura de prenclzire (de regul, Tprenc = 500 600 oC) , iar cel de-al doilea, la temperatura de tratament.

Fig.1.17. Regimul de nclzire n condiii vnc = ct.

Fig.1.18. Regimul de nclzire n condiii Ts = ct.

nclzirea cu vitez constant conduce la durate de nclzire foarte lungi i se aplic produselor metalice de dimensiuni mari, avnd forme complicate i fiind confecionate din materiale cu plasticitate redus. Se realizeaz practic prin introducerea reperelor reci n cuptorul rece, la care se programeaz o vitez de nclzire constant. n timpul nclzirii, cderea de temperatur pe seciune este redus i se menine practic constant, ceea ce implic tensiuni termice neglijabile.

nclzirea n condiii Ts = constant se realizeaz practic n cazul utilizrii cuptoarelor cu bi, prin scufundarea produsului rece n baia de nclzire, aflat la o temperatur cu puin superioar temperaturii de tratament. Supra-faa produsului atinge astfel, practic instantaneu, temperatura de nclzire, n timp ce miezul rspunde abia dup un timp dat. n consecin, n momentele iniiale ale nclzirii, pe seciunea produsului iau natere tensiuni termice extrem de mari (datorate diferenelor de temperatur dintre suprafa i centru). Dei, din punctul de vedere al duratei de nclzire, metoda este cea mai rapid, ea se poate aplica numai n cazul produselor de dimensiuni mici, avnd forme simple i fiind confecionate din materiale foarte plastice. 1.4.5. Calculul coeficientului de schimb superficial de cldur al mediului de nclzire () Intensitatea schimbului de cldur dintre mediul de nclzire i suprafaa produsului nclzit se caracterizeaz cantitativ cu ajutorul unei mrimi fizice notat cu i numit coeficient de schimb superficial de cldur, coeficient superficial de transmitere a cldurii sau coeficient de cedare termic. Acest coeficient se exprim n [W/m2K] sau [J/m2Ks] i reprezint cantitatea de cldur, cedat de mediul de nclzire, pentru a ridica temperatura unitii de suprafa a produsului, cu un grad, n unitatea de timp. Valoarea coeficientului de schimb superficial de cldur depinde de: 1 natura mediului de nclzire; 2 temperatura mediului de nclzire; 3 gradul de agitare al mediului de nclzire (indiferent de natura sau temperatura mediului, agitarea acestuia conduce la intensificarea schimbului de cldur cu suprafaa produsului). n cazul utilizrii cuptoarelor cu camer, mediul de nclzire este gazos, iar schimbul de cldur dintre acesta i suprafaa produsului metalic se realizeaz prin dou mecanisme: convecie i radiaie. Drept urmare, valoarea coeficientului global de cedare termic are dou componente: , (1.22) unde: c [W/m K] reprezint componenta dat de schimbul de cldur convectiv; rmed [W/m2K] reprezint componenta dat de schimbul de cldur prin radiaie. La temperaturi joase (sub 600 oC), schimbul de cldur n mediile gazoase se face preponderent prin convecie, coeficientul c fiind dependent de viteza de deplasare a mediului gazos n raport cu suprafaa produsului ( [m/s]). Valoarea lui se poate calcula cu relaii specifice intervalelor de valori ale parametrului (tab.1.1). Tabelul 1.1. Formule de calcul pentru c CONVECIE NATURAL CONVECIE FORAT [m/s] 2 ... 3 3 ... 5 >5 Starea suprafeei Neted Rugoas Neted Rugoas 2 0,78 c [W/m K] 17 5,58+3,8 6,16+4,19 7,12 7,52 0,782

Cnd nclzirea are loc la temperaturi nalte (peste 600 oC), predomin schimbul de cldur prin radiaie, iar valoarea coeficientului de cedare termic r este determinat de temperatura absolut a mediului (Tm), de temperatura absolut a suprafeei produsului metalic (Ts) i de constanta de radiaie (Crad). Aceast dependen este exprimat prin relaia:

. Constanta de radiaie Crad [W/m2K4] este dat de formula: Crad = C0, 2 4 n care: C0 = 5,7 [W/m K ] - constanta de radiaie a corpului negru; - gradul de opacitate [adimensional].

(1.23) (1.24)

Valoarea gradului de opacitate se poate calcula cu ajutorul unor formule, care in cont de poziia relativ pies - zidrie i constantele de radiaie ale acestora. Astfel, pentru suprafee plan-paralele se utilizeaz relaia :

, iar (1.25) pentru suprafee cilindrice concentrice:

, (1.26) unde: M, Z - gradele de opacitate al materialului, respectiv zidriei; AM, AZ [m2] - aria produsului metalic, respectiv a zidriei. Dac se ine seama de faptul c i mediul gazos interpus ntre zidrie i piese prezint un anumit grad de opacitate, valorilor calculate cu relaiile 1.25 i 1.26 li se aplic o corecie, prin multiplicarea cu un coeficient m, care ia valori cuprinse ntre 0,5 0,96, n funcie de tipul cuptorului i mrimea raportului AZ/AM (tab.1.2). Tabelul 1.2. Valorile factorului de corecie m Tipul cuptorului i al flcrii Valoarea lui m pentru raportul Az/Am egal cu: Cuptor cu gaz, flacr luminoas (g=0,52) Cuptor cu gaz, flacr semiluminoas (g=0,35) Cuptor electric (g=0,25) 1 0,80 0,62 0,50 2 0,87 0,73 0,60 3 0,90 0,78 0,67 4 0,92 0,81 0,71 5 0,96 0,86 0,76

Cnd nclzirea are loc la temperaturi nalte i la durate relativ mari, pe suprafaa produsului tratat se formeaz un strat de oxid (arsur), care determin reducerea treptat a coeficientului de transmitere a cldurii. Reducerea este de circa 30% pentru fiecare milimetru grosime a stratului de oxid. Formula de calcul pentru r devine astfel:

,

(1.27)

n care: s [mm] - grosimea stratului de oxid. Pe perioada nclzirii n cuptoare cu camer, de regul temperatura mediului (T m) se menine constant, dar temperatura suprafeei (Ts) variaz de la valoarea T0, la momentul iniial, la valoarea Tnc , la sfritul etapei de nclzire. Aceast variaie determin, implicit, i variaia continu a valorii coeficientului de radiaie r. Din acest motiv, n calcule se ia n considerare valoarea medie a acestuia, respectiv: , (1.28) unde: i - se calculeaz pentru Ts = T0 ; f - se calculeaz pentru Ts = Tnc. n cazul utilizrii cuptoarelor cu bi, nclzirea se face n medii lichide, iar schimbul de cldur se realizeaz prin convecie i conducie n mod simultan, ceea ce asigur un coeficient total de transfer superficial de cldur mai ridicat i, implicit, durate de nclzire mai reduse. Pentru calculul coeficientului tot se utilizeaz relaii aproximative de calcul, diferite n funcie de natura bii utilizate. Astfel, dac baia este constituit dintr-un amestec de sruri topite sau un metal topit se recurge la relaia (1.29) pentru cazul topiturilor neagitate: b = 0+K(Tut Ttop) (1.29) i la relaia (1.30), pentru bi agitate:

, (1.30) unde: 0 [kcal/m h C] - coeficient de cedare termic al bii la temperatura de topire (tab.1.3); Tut [oC] - temperatura de utilizare a bii; Ttop [oC] - temperatura de topire a bii; K - constanta de utilizare (tab.1.3). Tabelul 1.3. Valorile mrimilor necesare pentru calculul coeficientului b n topituri de sruri i metale2 o

Pentru tratamentele termice care se efectueaz la temperaturi relativ joase (pn la 200 - 250oC), cum este mbtrnirea, revenirea joas i detensionarea, nclzirea se poate realiza n bi de ulei. Coeficientul total de transmitere a cldurii se determin n acest caz cu relaia: b = 3,0 Tut, (1.31) pentru bi neagitate sau , o pentru bi agitate, unde Tut [ C ] este temperatura de utilizare. (1.32)

1.4.6. Calculul caracteristicilor termofizice ale materialului nclzit Comportarea materialelor metalice pe parcursul operaiei de nclzire se poate evalua cu ajutorul urmtoarelor caracteristici termofizice: conductivitatea termic, cldura specific, densitatea i difuzivitatea termic. Aceste mrimi definesc modul n care se realizeaz transmiterea cldurii de la suprafaa produsului ctre interior i modul n care materialul acumuleaz cldur, nclzindu-se. Conductivitatea termic a materialului, [W/mK], reflect capacitatea materialului de a conduce cldura. Valoarea ei depinde att de compoziia materialului, ct i de temperatur. De regul, se determin din tabele (tab.1.4, [2]), dar literatura de specialitate ofer i formule de calcul, care se pot utiliza n cazul n care valorile cutate nu se regsesc n astfel de tabele. ntruct temperatura materialului variaz pe toat durata operaiei de nclzire (de la T0 la Tnc), n calcule se ia n considerare valoarea medie a conductivitii termice, calculat cu relaia: , (1.33)

unde: i - se determin pentru T0; f - se determin pentru Tnc. Cldura specific, cp [J/kg grad], este o mrime care definete modul n care materialul metalic acumuleaz cldura primit. Ea reprezint cantitatea de cldur necesar pentru a ridica cu un grad temperatura unitii de mas de material. Valoarea ei depinde de natura materialului i de temperatura acestuia i, n cazul n care acest lucru este posibil, se determin cu ajutorul tabelelor (tab.1.4). n caz contrar, se poate apela la formule empirice de calcul. ntruct cp variaz n timpul nclzirii, se lucreaz cu valoarea medie dat de: , (1.34)

unde: cpi - se determin pentru T0; cpf - se determin pentru Tnc. Densitatea, [kg/m3], este o mrime fizic a crei valoare depinde n principal de natura materialului, variaia cu temperatura fiind nesemnificativ. Se utilizeaz ntotdeauna valorile extrase din tabele (tab.1.4). Difuzivitatea termic, a [m2/s], este o mrime derivat, care ia n considerare cele trei mrimi de material enumerate mai sus: . (1.35)

1.4.7. Calculul cderilor de temperatur i al vitezelor maxime admisibile pentru nclzire n timpul nclzirii, temperatura este distribuit neuniform pe seciunea produsului metalic, fiind maxim la suprafa i minim n interiorul produsului. Drept urmare, n diferitele microvolume de material se produc dilatri i comprimri neuniforme i frnate, care determin apariia unor tensiuni interne. Cu ct viteza de nclzire este mai mare, cu att aceste tensiuni termice sunt mai importante. Pentru ca produsele tratate s nu se deformeze sau chiar s se fisureze n timpul nclzirii, este necesar ca viteza de nclzire s fie astfel limitat, nct cderea maxim de temperatur i, implicit, tensiunile interne, s se menin sub nivelul valorilor periculoase. Pornind de la expresiile tensiunilor interne maxime rezultate n timpul nclzirii i impunnd condiia ca acestea s nu depeasc valoarea rezistenei admisibile a materialului (adm), se pot determina relaiile de calcul pentru diferena admisibil de temperatur pe seciunea produsului (Tadm) i viteza de nclzire admisibil (vnc adm) (tab.1.5). Tabelul 1.5. Formule de calcul pentru Tadm i vnc adm

n tabelul 1.5 s-au folosit urmtoarele notaii: adm [N/mm2] - rezistena admisibil a materialului: adm = k Rm k - coeficient de siguran; 2 Rm [N/mm ] - limita la rupere a materialului; [grad-1] - coeficientul de dilatare liniar; E [N/mm2] - modulul de elasticitate longitudinal; a [m2/s] - difuzivitatea termic; X, R [m] - grosimea, respectiv raza de nclzire (distana de la suprafa pn n punctul din seciunea produsului unde temperatura este minim). 1.4.8. Stabilirea modului de alctuire a ncrcturii i de aezare a produselor metalice n utilajul de nclzire n practica tratamentelor termice, produsele metalice se nclzesc n trei moduri: 1 individual; 2 n arj sau lot de tratament termic; 3 n vrac. nclzirea individual se practic n cazul produselor de dimensiuni foarte mari, utilizndu-se ntotdeauna cuptoare cu camer. n cazul cuptoarelor cu camer orizontal,

aezarea produsului se poate face fie direct pe vatr (fig.1.19, a), fie pe supori speciali (fig.1.19, b). n prima situaie, schimbul de cldur se realizeaz pe suprafaa lateral a produsului, mai puin suprafaa de sprijin pe vatr, iar n cea de-a doua, pe toat suprafaa.

Fig.1.19. Modaliti de aezare a produselor nclzite individual n cuptoare camer orizontale: a direct pe vatr; b pe supori

Dac se utilizeaz cuptoare cu camer verticale, produsul metalic se suspend de dispozitive speciale, schimbul de cldur cu mediul de nclzire realizndu-se uniform, pe ntreaga suprafa. n calculul duratei de nclzire nu se folosete grosimea geometric a produsului metalic, ci se ia n considerare grosimea de nclzire, notat cu X. Aceasta reprezint distana de la suprafaa produsului pn la planul din seciune, n care se nregistreaz temperatura minim. Valoarea acestui parametru depinde de forma produsului metalic i modul de aezare a acestuia n cuptor (fig.1.20).

Fig.1.20. Determinarea grosimii de nclzire X pentru produse de diferite forme, n funcie de modul de aezare pe vatra cuptorului

Produsele de dimensiuni mai mici se nclzesc n arj sau lot de tratament termic, care constituie ncrctura cuptorului pentru o operaie dat. ntruct poziia relativ a produselor din lot n raport cu fluxul termic este diferit, nclzirea acestora se realizeaz neuniform. Din acest motiv, durata de nclzire trebuie astfel determinat, nct s se asigure nclzirea pn la temperatura de tratament (Tinc) a produsului metalic cu aezarea cea mai nefavorabil n raport cu fluxul termic. Pentru acesta, mai nti se calculeaz durata de nclzire (tinc) pentru un singur produs, ca i cnd acesta s-ar afla singur n cuptor. Aceast durat se multiplic apoi cu un coeficient de aezare (Ca), care depinde de forma produselor metalice i de poziia lor relativ n

cuptor (fig.1.21). De menionat este faptul c acest coeficient majoreaz att durata de nclzire, ct i durata de egalizare, durata de transformare rmnnd neafectat. Produsele de dimensiuni foarte reduse se nclzesc n vrac, aezate n couri sau tvi. n aceast situaie, durata de nclzire se calculeaz ca i cnd coul sau tava ar reprezenta o pies echivalent i se consider grosimea de nclzire (XV) ca fiind egal cu: unde: gmin - dimensiunea minim a vracului. Densitatea echivalent a vracului (V) se calculeaz cu formula: , , (1.36)

(1.37)

n care: np - numrul de produse metalice din vrac; Mp [kg] - masa unui produs; VV [m3] - volumul vracului (al coului sau tvii), iar cldura specific echivalent a vracului se consider egal cu aceea a materialului metalic nclzit, respectiv: Cp V = Cp mat. (1.38) Calculul conductivitii termice echivalente a vracului trebuie s ia n considerare prezena rosturilor dintre piese, rosturi umplute cu aer (nclzirea n cuptoare cu camer) sau lichid (cuptoare cu bi). n timp ce unii autori propun diferite valori, n funcie de tipul produsului (tab.1.6)., alii recomand utilizarea unor formule de calcul de tipul (formul utilizabil pentru nclzirea n cuptoare cu camer): , unde: aer - conductivitatea termic a aerului, egal cu 0,02 [kcal/m h oC] la 0 oC i 0,20 [kcal/m h oC] la 900 oC; Vaer - volumul relativ ocupat de golurile de aer (subunitar). (1.39)

Fig.1.21. Determinarea coeficientului de aezare Ca Tabelul 1.6. Valorile densitii i conductivitii termice echivalente pentru nclzirea n vracFelul ncrcturii Pachet de tabl subire din oel Srm n colaci Piese mici n vrac [kg/m3] 5.000 2.000 1.700 V [W/m grad] 0,58 2,33 4,65

1.4.9. Calculul duratei de nclzire Din punctul de vedere al comportrii la nclzire, produsele metalice se mpart n dou categorii:

1 2

produse subiri i produse groase. Stabilirea ncadrrii unui produs dat ntr-una dintre aceste dou categorii, pentru anumite condiii de nclzire date, se face cu ajutorul unui criteriu adimensional, numit criteriul Biot: . (1.40) n funcie de valoarea acestui criteriu sunt posibile trei situaii: a) Bi 0,25 produsul se consider subire; b) Bi 0,5 produsul se consider gros; c) 0,25 < Bi < 0,5 situaie intermediar. Pentru cazurile a) i b) exist metode specifice de calcul a duratei de nclzire, iar n situaia de la punctul c), determinarea tinc se face, considernd mai nti produsul ca fiind subire, iar apoi gros, i se ia n considerare valoarea cea mai mare obinut. a) Calculul duratei de nclzire pentru produse subiri Ecuaia de bilan termic este: dQs = dQi, (1.41) unde s-a notat: dQs - cantitatea de cldur transmis de mediul de nclzire suprafeei produsului; dQi - cantitatea de cldur transmis prin conducie de la suprafaa produsului ctre interiorul lui. Considernd nclzirea n condiii Tm = constant, ecuaia (1.41) se mai poate scrie: , (1.42) n care: - coeficientul mediu de cedare termic al mediului de nclzire (se calculeaz ca medie aritmetic pentru intervalul de temperatur T0 Tinc); Tm - temperatura mediului de nclzire (constant n timp); TS - temperatura suprafeei produsului (variabil n timpul nclzirii); S - suprafaa de schimb de cldur mediu-produs metalic; m - masa produsului nclzit; Cp- cldura specific medie a materialului pe intervalul T0-Tinc. Separnd variabilele, relaia (1.42) se poate scrie sub forma: , iar dup integrare: se obine pentru timpul de nclzire: . b) Calculul duratei de nclzire pentru produse groase Ecuaiile difereniale ale conductivitii termice sunt: 1 pentru corpuri paralelipipedice: (1.43) (1.44) (1.45)

(1.46) 1 pentru corpuri cilindrice: . (1.47) Ecuaiile (1.46 i 1.47) prezint o infinitate de soluii generale. Pentru a obine soluii univoc determinate, se introduc cteva condiii de limit i simplificri: 1 1) se consider c la momentul iniial temperatura este aceeai n orice punct din volumul produsului i egal cu T0; 2 2) pe parcursul nclzirii, temperatura mediului nu se modific (respectiv: Tm = constant); 3 3) caracteristicile termofizice ale materialului nu variaz pe durata nclzirii (n calcule se consider valorile medii ale , cp, pe intervalul de temperatur T0 - Tinc);

4 4) produsul metalic are o form geometric regulat (cilindru, paralelipiped), celelalte forme reale urmnd a fi reduse la acestea; 5 5) se neglijeaz efectele termice ale transformrilor de faz n stare solid, care au loc n timpul nclzirii materialului i, de asemenea, se neglijeaz i interaciunea chimic dintre mediul de nclzire i suprafaa produsului; 6 6) pentru a restrnge numrul de variabile, se recurge la cteva asociaii ntre acestea, sub forma unor criterii adimensionale, respectiv: la transmiterea fluxului termic dinspre mediu spre interiorul produsului metalic, apare o rezisten exterioar (Re = 1/) i una interioar, care crete odat cu grosimea produsului i scade cu creterea conductivitii materialului (Ri = X/). Din raportarea acestor dou mrimi rezult o a treia, care caracterizeaz rezistena la nclzire a produsului dat, n condiiile date, i se numete grosime relativ sau criteriu Biot: . (1.48) pentru a descrie variaia n timp a temperaturii n profunzimea produsului, se utilizeaz mrimea numit timp relativ sau criteriu Fourier, dat de relaia: . (1.49) criteriul Fo prezint neajunsul c reflect modul de variaie a temperaturii n timp prin raportare la dimensiunea produsului. Din acest motiv, adesea se recurge la nlocuirea sa cu un alt criteriu temporal, numit criteriul Boussinesq: . (1.50) ultimul criteriu utilizat este un criteriu poziional, numit coordonat relativ, i dat de relaia: , (1.51) unde: X - grosimea de nclzire; x - coordonata unui punct din seciunea produsului, considerat de la seciunea cu temperatur minim (numit convenional centru). Pentru punctele din aceast seciune (x = 0) i deci: , iar pentru punctele din suprafaa produsului (x = X) coordonata relativ devine: (1.52)

. (1.53) Avnd n vedere simplificrile de la punctele 1 - 6, soluiile ecuaiilor difereniale (1.46 i 1.47) se pot scrie sub forma: sau (1.54)

, (1.55) unde poart numele de criteriu de temperatur. Pentru punctele situate pe suprafaa sau n centrul produsului metalic, criteriile de temperatur depind numai de valorile criteriilor Bi i Fo, respectiv Bi i Bq: S = f (Bi ; Fo) sau S = f1 (Bi; Bq) (1.56) * * C = f (Bi ; Fo) sau C = f1 (Bi; Bq). (1.57) n literatura de specialitate exist nomograme care redau grafic, pentru suprafaa i centrul produselor cilindrice sau prismatice, dependene de tipul celor descrise de relaiile 1.56 i 1.57 (fig.1.22 - 1.29). Drept urmare, etapele care trebuiesc parcurse pentru determinarea prin calcul criterial a duratei de nclzire pentru un produs gros sunt: 1) se alege temperatura de nclzire (Tinc), n funcie de tipul tratamentului termic i de materialul din care este confecionat produsul i, n raport cu aceasta, temperatura mediului de nclzire: Tm = Tinc + (20 - 30)oC; (1.58) 2) se alege utilajul de nclzire;

Fig.1.22. Nomogram pentru determinarea criteriului S = f (Bi; Fo) pentru piese cilindrice

Fig.1.23. Nomogram pentru determinarea criteriului C = f (Bi; Fo) pentru piese cilindrice

Fig.1.24. Nomogram pentru determinarea criteriului S = f (Bi; Fo) pentru piese prismatice

Fig.1.25. Nomogram pentru determinarea criteriului C = f (Bi; Fo) pentru piese prismatice

Fig.1.26. Nomogram pentru determinarea criteriului S = f (Bi; Bq) pentru piese cilindrice

Fig.1.27. Nomogram pentru determinarea criteriului C = f (Bi; Bq) pentru piese cilindrice

Fig.1.28. Nomogram pentru determinarea criteriului S = f (Bi; Bq) pentru piese prismatice

Fig.1.29. Nomogram pentru determinarea criteriului C = f (Bi; Bq) pentru piese prismatice

3) se stabilete alctuirea ncrcturii i modul de aezare a produselor n cuptorul ales (X, Ca); 4) se calculeaz valorile medii, pe intervalul T0 Tinc, pentru mrimile termofizice (, , cp, , a); 1 1 5) se calculeaz criteriul Biot, respectiv: ; 6) se calculeaz criteriul de temperatur pentru suprafaa produsului: (1.59)

; (1.60) 1 7) n funcie de valorile Bi i S se determin grafic, din nomograme, valoarea criteriului Fo (fig.1.22 sau 1.24) sau a criteriului Bq (fig.1.26 sau 1.28) i se calculeaz, cu ajutorul acestor valori, durata de nclzire: (1.61)

; (1.62) 1 8) n funcie de Bi i Fo, respectiv Bi i Bq se determin grafic, din nomograme (fig.1.23 sau 1.25, respectiv fig. 1.27 sau 1.29), criteriul de temperatur pentru centru c i se calculeaz temperatura n centrul produsului la sfritul operaiei de nclzire:

; (1.63) 9) se calculeaz cderea de temperatur rezultat la sfritul operaiei de nclzire pe seciunea produsului metalic: T = Tinc Tc (1.64) i se compar cu diferena de temperatur admisibil (T adm), calculat cu formulele din tabelul 1.5. Sunt posibile dou situaii: a) T Tadm - tehnologia de nclzire aleas este corect; 1 b) T > Tadm - nclzirea nu se poate realiza Fig.1.30. nclzirea cu treapt de conform tehnologiei alese, ntruct cderea de temperatur prenclzire rezultat este periculoas, putnd duce la deformarea sau chiar fisurarea produsului sub influena tensiunilor termice prea mari. n acest caz, se reia calculul de nclzire pentru un alt regim de nclzire (nclzirea cu treapt de prenclzire (fig.1.30) sau cu vitez constant). 1.5. Meninerea 1.5.1. Noiuni introductive Este cea de-a doua operaie de baz a tratamentelor termice. La sfritul nclzirii, temperatura este neuniform pe seciunea produsului, fiind maxim la suprafa i minim n centru: TS = Tnc i TC < Tnc. Din acest motiv, meninerea urmrete n primul rnd uniformizarea temperaturii pe seciune. Durata de timp necesar se numete durat de egalizare (teg). Valoarea ei este determinat de tipul produsul metalic tratat (material, form, dimensiune, aezare n utilaj) i regimul de egalizare ales. Dup egalizarea temperaturii n ntreg volumul materialului, produsul trebuie meninut n continuare la Tnc, pn la ncheierea transformrilor structurale specifice tratamentului termic aplicat. Intervalul de timp necesar se numete durat de transformare (ttr). Valoarea ei depinde de tipul transformrilor care trebuiesc realizate i variaz de la valori de ordinul minutelor (austenitizare) la valori de zeci de ore (omogenizare). n consecin, durata total de meninere este egal cu: tmen = teg + ttr (1.65)

1.5.2. Durata de egalizare (teg)Stabilirea mrimii duratei de egalizare se face diferit pentru produse subiri i groase. n cazul produselor subiri (Bi < 0,25), la ncheierea operaiei de nclzire temperatura centrului este aproximativ egal cu aceea a suprafeei (Tnc = TS TC), nefiind necesar o meninere suplimentar la temperatura de tratament. Totui, n practic se ia n considerare o durat de egalizare egal cu o fracie din durata de nclzire:

(1.66) Dac produsul tratat este gros (Bi > 0,5), la sfritul etapei de nclzire temperatura centrului este inferioar celei din suprafa (TC < TS = Tnc) i se impune n continuare necesitatea meninerii pentru egalizare, pn n momentul n care cderea de temperatur pe seciune scade sub 2 3% din valoarea temperaturii de nclzire. n acest scop, n practic se utilizeaz, de regul, unul dintre urmtoarele trei regimuri termice pentru egalizare: 1 egalizarea n condiii Tm = constant (fig.1.31); 2 egalizarea n cuptoare cu bi (TS = constant) (fig.1.32); 3 egalizarea n condiii q = 0 (q = flux termic) (fig.1.31), cnd se procedeaz n etapa de nclzire la supranclzirea suprafeei (aducerea acesteia la o temperatur superioar celei de tratament - TS > Tnc) i oprirea ulterioar a cuptorului, n vederea uniformizrii temperaturii pe seciune.

Fig.1.31. Egalizarea n condiii Tm = ct

Dintre regimurile prezentate mai sus, primul este cel mai des utilizat. n vederea determinrii, prin calcul, a duratei de egalizare se parcurg, n acest caz, urmtoarele etape: 1 1) se alege valoarea final a gradului de egalizare a temperaturii pe seciunea produsului (Teg). De regul se consider: T eg = (2 3) % Tnc (1.67) sau Tcf = (97 98) % Tnc, (1.68) n care Tcf este temperatura centrului la sfritul operaiei de egalizare;

Fig.1.32. Egalizarea n condiii TS = ct

Fig.1.33. Egalizarea n condiii q = 0

2) se calculeaz cderea de temperatur existent pe seciune la sfritul nclzirii: T = TS TC = Tnc - TC; (1.69) 3) se calculeaz gradul de neuniformitate a temperaturii n seciunea produsului n momentul nceperii egalizrii, egal cu: (1.70) 4) n funcie de valoarea lui b i a formei produsului, se determin grafic, din nomograme (fig.34), un coeficient m, dat de o relaie asemntoare cu aceea a criteriului Fo: , (1.71) unde:a - difuzivitatea termic pentru condiiile concrete ale egalizrii; X - grosimea de calcul pentru cazul egalizrii. Cunoscnd valoarea coeficientului m, se poate calcula apoi durata de egalizare (teg). Pentru calculul rapid al duratei de egalizare, unii autori recomand utilizarea unor formule de aproximative, de tipul: Fig.1.34. Nomogram pentru determinarea teg = Keg tnc, (1.72) coeficientului m unde se consider aceast durat ca fiind egal cu o fraciune din durata de nclzire (tnc). Coeficientul Keg ia valori diferite, n funcie de tipul regimului de nclzire ales (tab.1.7).Tabelul 1.7. Valorile coeficientului Keg

1.5.3. Durata de transformare (ttr) Din momentul n care s-a realizat uniformizarea temperaturii pe seciunea produsului, la gradul de egalizare dorit, se continu meninerea la temperatura de tratament, pn cnd se produc transformrile structurale specifice tratamentului termic aplicat. Durata de transformare (ttr) depinde, n principal, de: 1 tipul tratamentului termic; 2 materialul metalic din care este confecionat produsul; 3 structura iniial a materialului; 4 temperatura de meninere. Transformrile, care au loc n timpul nclzirii i meninerii la temperaturi superioare celei ambiante (recristalizare, omogenizare chimic, dizolvare sau precipitare de faze secundare, procese de coalescen i globulizare, creterea grunilor), sunt procese, care necesit activare termic i se realizeaz prin difuzie. Din acest motiv, ele se desfoar cu att mai uor, cu ct temperatura de meninere este mai ridicat, durata de transformare scznd exponenial la creterea temperaturii peste o valoare critic, la care se declaneaz transformarea. Dac, spre exemplu, transformarea dorit este austenitizarea unui oel eutectoid (fig.1.35), temperatura critic este A1 (723oC). La temperatura T1, durata de transformare este ttr1, iar la T2, austenitizarea se produce ntr-un timp (ttr2), mult mai redus. n tabelul 1.8 sunt prezentate cteva dependene temperatur-durat de transformare, pentru cazul n care structura de pornire este perlit lamelar fin, obinut prin Fig.1.35. Diagram de transformare izoterm a normalizare. Dac oelul are iniial o structur perlitei n austenit perlitic globular, duratele de transformare sunt de cteva ori mai mari.Tabelul 1.8. Duratele de transformare izoterm a perlitei n austenit la oelul eutectoid Tnc [oC] 740 760 78 80 82 840 0 0 0 Ttr [s] 10 1 20 90 70 40 000 000 0

1.7. Rcirea 1.7.1. Regimuri i medii de rcire Rcirea este cea de a treia operaie de baz a tratamentelor termice. Ea are drept scop readucerea produselor metalice calde la temperatura ambiant (Trc), n condiii bine determinate, care s evite apariia de tensiuni termice periculoase i s conduc la obinerea structurilor dorite. n practica tratamentelor termice, vitezele de rcire variaz n limite foarte largi, de la 20 - 30 oCh, la unele recoaceri, la 150 200 oCs, la clire. O asemenea variaie, n limite att de largi, a vitezelor de rcire, se obine prin utilizarea unor medii cu capaciti de rcire foarte diferite. Corespunztor, aducerea produsului metalic nclzit la temperatura ambiant se poate realiza utiliznd mai multe regimuri de rcire.

Astfel, rcirea foarte lent cu vitez constant (20 100 oC/h) se realizeaz practic prin meninerea produsului n utilajul de nclzire i reducerea treptat a alimentrii cu energie (debit de gaz sau putere). Rcirea lent (vrc = 100 300 oC/h, respectiv 2 - 5 oC/s) se obine prin pstrarea produsului n utilajul de nclzire i oprirea complet a acestuia (rcire cu cuptorul). Viteza de rcire realizat efectiv depinde n acest caz de: 1 mrimea i alctuirea arjei; 2 mrimea utilajului i tipul izolaiei termice (factori de care depinde ineria termic a cuptorului). n cazul cuptoarelor foarte mari, se recurge uneori i la deschiderea uilor. Rcirea accelerat (vrc = 5 - 100oC/min sau 0,1 - 2oC/s ) este rcirea n aer linitit sau ventilat. Se realizeaz practic prin scoaterea produsului din cuptor i rcirea lui n hala de tratament sau prin introducerea produsului n camere de rcire speciale. n acest ultim caz, se utilizeaz cuptoare cu vatr mobil sau cuptoare continue cu camere de rcire, plasate n zona de evacuare. Rcirea rapid i ultrarapid (vrc = 10 200o/s) se asigur prin scufundarea produsului scos din utilajul de nclzire ntr-un mediu lichid cu capacitate de rcire foarte mare. Astfel de medii se numesc medii de clire. Ele pot fi de dou tipuri: 1 medii de clire nevaporizabile sau medii care nu prezint fenomene de fierbere local. Din aceast categorie fac parte bile de sruri i metale topite. Ele se folosesc la temperaturi de 500 200oC i realizeaz pe tot intervalul de rcire viteze aproximativ constante i egale cu Vrc = 10 - 50oC/s, n funcie de temperatura de utilizare i gradul de agitare. 2 medii de clire vaporizabile sau medii care prezint fenomene de fierbere local, cum sunt: apa, soluiile apoase, uleiurile i emulsiile. Aceste medii realizeaz viteze de rcire variabile n intervalul temperaturilor de rcire (fig.1.37 i tab.1.11).

Fig.1.37. Rcirea n medii de clire vaporizabile: a - curba de rcire a suprafeei; b variaia vitezei de rcire cu temperatura; T1 temperatura desprinderii peliculei de vapori; T2 temperatura de fierbere vehement; Tf temperatura de fierbere a lichidului. Tabelul 1.11. Valorile vitezelor de rcire pentru diferite medii

Aceast variaie a vitezei de rcire cu temperatura se datoreaz faptului c, n cazul mediilor de rcire vaporizabile, rcirea se realizeaz n trei etape succesive: calefacia (Tnc T1): la scufundarea produsului cald n mediul rece, la contactul cu suprafaa produsului, se produce vaporizarea brusc a mediului i, drept urmare, n imediata vecintate a suprafeei, se formeaz o pelicul de vapori, aderent la aceasta. Prin pelicula de vapori, schimbul de cldur mediu-produs se realizeaz anevoios, viteza de rcire fiind relativ redus. Aceast etap poate fi scurtat sau chiar evitat complet dac se procedeaz la agitarea bii de clire. fierberea (T1 Tf): la un moment dat, la temperatura T1, se produce desprinderea peliculei de vapori de pe suprafaa produsului metalic. Apariia acestui fenomen se poate grbi prin agitarea bii. Din momentul ndeprtrii peliculei, ncepe vaporizarea exploziv a mediului de clire n vecintatea produsului, proces care consum o mare cantitate de cldur. Drept urmare, schimbul de cldur produs mediu devine deosebit de intens, mediul de clire realiznd astfel, n aceast etap, viteza maxim de rcire (la T2). n funcie de tipul mediului de clire, viteza maxim de clire se poate obine n intervale T1 Tf diferite (fig.1.38). Pentru comparaie, n figura 1.38 s-a reprezentat i variaia cu temperatura a vitezei de rcire pentru aer (curba 1), mediu care realizeaz o vitez aproape constant la rciri ntre 800 0 oC. convecia: sub temperatura de fierbere (Tf) a mediului, fierberea nceteaz, iar schimbul de Fig.1.38. Variaia vitezei de rcire n funcie cldur se realizeaz n continuare anevoios, prin de temperatur: 1 aer ventilat; 2 ulei convecie. n consecin, viteza de rcire scade spre mineral la 400C; 3 emulsie 20% ulei n ap; 4 ap la 200C; 5 soluie 10% NaCl n ap. anulare. 1.7.2. Calculul duratei de rcire La rcire, produsele metalice se pot comporta diferit, n funcie de forma i dimensiunile lor, valorile caracteristicilor termofizice i mediul de rcire utilizat (natura acestuia, temperatura i gradul de agitare), astfel nct, ca i n cazul nclzirii, calculul duratei de rcire se efectueaz dup metode diferite pentru produse subiri sau groase. n ambele cazuri, prima etap de calcul este aceea a determinrii caracteristicilor termofizice ale materialului i mediului de rcire. n timp ce pentru material se procedeaz la fel ca i n cazul nclzirii, pentru aflarea coeficientului de cedare termic al mediului de rcire se poate apela direct la valorile oferite de literatura de specialitate (tab.1.12 i 1.13).Tabelul 1.12.

Valorile coeficientului la clirea n ap i ulei mediu agitate (vagit = 15 20 m/min)

n tabelul 1.13 s-au folosit urmtoarele notaii: f.a = fr agitare a.s = cu agitare slab (10 cm/s) a.m = cu agitare medie (25 cm/s) a.b = cu agitare bun (1 m/s) a.i = cu agitare intens (du) Pentru calculul duratei de rcire n cazul produselor subiri se utilizeaz o formul logaritmic, asemntoare cu aceea folosit la determinarea duratei de nclzire, respectiv: , (1.91)Tabelul 1.13. Valorile coeficientului pentru diferite medii de rcire

unde: m - masa produsului; cp - cldura specific medie a materialului pe intervalul Tinc - Trc; - coeficientul mediu de cedare termic pe Tinc - Trc; S - suprafaa de schimb de cldur produs-mediu de rcire; Tmr - temperatura mediului de rcire; Tinc - temperatura de nclzire; Trc - temperatura pn la care se rcete produsul metalic. n cazul produselor groase, durata de rcire se determin prin calcul criterial, avnd n vedere regimul de rcire ales, care poate fi de tipul: 1 rcire cu vitez constant (cu cuptorul): ; (1.92) 1 rcire n condiii Tm = constant (n aer); 2 rcire n condiii Ts = constant (n medii lichide). Pentru determinarea mai rapid a duratei de rcire, n cazul produselor groase se poate apela la metode grafice, utiliznd reprezentri de tipul celor din figurile 1.39, 1.40 i 1.41 ale curbelor de rcire pentru centrul i suprafaa unor produse cilindrice de diferite diametre, rcite

n ap, ulei i aer de la temperaturile de 800, 900 i respectiv 1000 oC (corespunztoare celor trei scri reprezentate pe ordonat). Aceleai grafice se pot utiliza i n cazul unor produse cu seciuni de alte forme dect circular, utiliznd formule de echivalare (fig.1.42).

Fig. 1.39. Curbe de rcire n ap pentru piese cilindrice de diferite diametre

Fig. 1.40. Curbe de rcire n ulei pentru piese cilindrice de diferite diametre

Fig. 1.41. Curbe de rcire n aer pentru piese cilindrice de diferite diametre

Fig. 1.42. Formule de transformare a seciunilor necirculare n seciuni circulare echivalente din punctul de vedere al vitezei de rcire

Pentru a determina, cu ajutorul diagramelor din figurile 1.39., 1.40. i 1.41, durata de rcire ntr-un mediu cu temperatura Tmr , pentru un produs metalic de diametru D, aflat iniial la temperatura Tnc , se procedeaz n modul urmtor: 1. Se calculeaz valoarea: (1.93) unde: Tnc - temperatura de nclzire; Tmr - temperatura mediului de rcire; 1 2. Utiliznd scara corespunztoare valorii Tnc, la valoarea Tmed se duce o orizontal pn la curbele corespunztoare diametrului D i se determin grafic duratele de rcire pentru suprafaa (trcS) i centrul produsului (trcC); 2 3. Se calculeaz vitezele medii de rcire pentru suprafaa i centrul produsului: ; (1.94) (1.95) 1.7.3. Utilaje de rcire Alegerea utilajelor de rcire se face n funcie de tipul tratamentului termic aplicat, respectiv de viteza de rcire care trebuie asigurat. Astfel, pentru rcirea foarte lent i lent, aplicat n cazul recoacerilor, nu sunt necesare utilaje speciale de rcire, fiind utilizate n acest scop cuptoarele de nclzire, la care se oprete alimentarea cu energie. Dac rezult astfel viteze de rcire prea mari, se procedeaz la oprirea intermitent a cuptorului, iar dac acestea sunt prea mici, se deschid uile (metod care conduce ns la o rcire neuniform i degradarea rapid a zidriei cuptorului). Rcirea accelerat, specific normalizrii, se realizeaz, de regul, prin scoaterea produselor metalice calde n hala de tratament termic, aezate pe sol sau, n cazul cuptoarelor cu vatr mobil, pe vatra extras din cuptor. Mai rar, se recurge la rcirea n gropi de rcire sau retorte metalice, rcite intens din exterior printr-un curent de aer. Utilajele propriu-zise de rcire apar n cazul tratamentelor de clire, cnd se numesc bazine de clire. Acestea sunt constituite dintr-un recipient de form paralelipipedic sau cilindric, confecionat din tabl de grosime adecvat, n care se afl lichidul de rcire. Bazinele de clire pot fi mecanizate sau nemecanizate i pot avea funcionare continu sau periodic. Din punctul de vedere al mediului de rcire utilizat, bazinele pot fi cu ap, soluii apoase, ulei sau emulsii. O problem important n cazul utilizrii bazinelor de clire este aceea a meninerii temperaturii bii ntre anumite limite. Astfel, pentru ap, soluii apoase i emulsii se recomand temperaturi de utilizare cuprinse ntre 15 20 oC la nceputul rcirii i max. 40 oC la finalul acesteia, iar pentru ulei acest interval merge de la 30 40 oC la 60 80 oC. Constana temperaturii bii poate fi asigurat prin una dintre urmtoarele metode:

1 remprosptarea lichidului; 2 rcirea permanent a mediului de clire. Remprosptarea se face prin introducerea de lichid proaspt la partea inferioar a bazinului i evacuarea celui cald la partea superioar. n cazul bilor de dimensiuni mari, lichidul proaspt se alimenteaz n mai multe puncte pe nlimea acestora. Pentru bile de ulei se recurge, de regul, la metode speciale de rcire, cum sunt: 1 bazinul este prevzut cu perei dubli, prin care circul ap (fig.1.43); 2 n baie se monteaz un radiator rcit cu ap (fig.1.44); 3 n baie se monteaz o serpentin de rcire.

Fig.1.43. Bazin de clire cu cma de ap de rcire

Fig.1.44.Baie de ulei cu radiator rcit cu ap