Ce este tratamentul termic? Metode și beneficii

Tratamentul termic este procesul de încălzire și răcire a metalelor, folosind metode specifice prestabilite pentru a obține proprietățile dorite. Atât metalele feroase, cât și cele neferoase sunt supuse unui tratament termic înainte de a fi folosite.

De-a lungul timpului, au fost dezvoltate o mulțime de metode diferite. Chiar și astăzi, metalurgiștii lucrează în mod constant pentru a îmbunătăți rezultatele și rentabilitatea acestor procese.

Pentru aceasta, ei dezvoltă noi programe sau cicluri pentru a produce o varietate de calități. Fiecare program se referă la o rată diferită de încălzire, menținere și răcire a metalului.

Aceste metode, atunci când sunt urmate meticulos, pot produce metale de diferite standarde cu proprietăți fizice și chimice remarcabil de specifice.

Beneficii

Există diverse motive pentru efectuarea tratamentului termic. Unele proceduri fac metalul moale, în timp ce altele cresc duritatea. Ele pot afecta, de asemenea, conductivitatea electrică și termică a acestor materiale.

Câteva metode de tratament termic ameliorează tensiunile induse în procesele anterioare de prelucrare la rece. Altele dezvoltă proprietăți chimice dezirabile la metale. Alegerea metodei perfecte se reduce de fapt la tipul de metal și la proprietățile necesare.

În unele cazuri, o piesă metalică poate trece prin mai multe proceduri de tratament termic. De exemplu, unele superaliaje utilizate în industria de fabricare a aeronavelor pot trece prin până la șase etape diferite de tratare termică pentru a o optimiza pentru aplicație.

Etapele procesului de tratare termică

În termeni simpli, tratarea termică este procesul de încălzire a metalului, menținerea acestuia la acea temperatură și apoi răcirea lui înapoi. În timpul procesului, piesa metalică va suferi modificări ale proprietăților sale mecanice. Acest lucru se datorează faptului că temperatura ridicată modifică microstructura metalului. Iar microstructura joacă un rol important în proprietățile mecanice ale unui material.

Rezultatul final depinde de mulți factori diferiți. Printre aceștia se numără timpul de încălzire, timpul de menținere a piesei metalice la o anumită temperatură, viteza de răcire, condițiile din jur etc. Parametrii depind de metoda de tratament termic, de tipul de metal și de dimensiunea piesei.

În decursul acestui proces, proprietățile metalului se vor modifica. Printre aceste proprietăți se numără rezistența electrică, magnetismul, duritatea, tenacitatea, ductilitatea, fragilitatea și rezistența la coroziune.

Încălzirea

După cum am discutat deja, microstructura aliajelor se va schimba în timpul tratamentului termic. Încălzirea se realizează în conformitate cu un profil termic prescris.

Un aliaj poate exista într-una din cele trei stări diferite atunci când este încălzit. Acesta poate fi fie un amestec mecanic, fie o soluție solidă, fie o combinație a ambelor.

Un amestec mecanic este analog cu un amestec de beton în care cimentul leagă nisipul și pietrișul împreună. Nisipul și pietrișul sunt încă vizibile ca particule separate. În cazul aliajelor metalice, amestecul mecanic este ținut împreună de metalul de bază.

Pe de altă parte, într-o soluție solidă, toate componentele sunt amestecate omogen. Acest lucru înseamnă că ele nu pot fi identificate individual nici măcar la microscop.

Care stare aduce cu sine calități diferite. Este posibilă schimbarea stării prin încălzire, în conformitate cu diagrama de fază. Răcirea, însă, determină rezultatul final. Este posibil ca aliajul să ajungă într-una din cele trei stări, în funcție exclusiv de metodă.

Reținerea

În timpul reținerii, sau etapa de înmuiere, metalul este menținut la temperatura obținută. Durata acesteia depinde de cerințe.

De exemplu, cementarea necesită doar modificări structurale ale suprafeței metalului pentru a crește duritatea suprafeței. În același timp, alte metode au nevoie de proprietăți uniforme. În acest caz, perioada de menținere este mai lungă.

Timp de înmuiere depinde, de asemenea, de tipul de material și de dimensiunea piesei. Piesele mai mari au nevoie de mai mult timp atunci când obiectivul sunt proprietățile uniforme. Pur și simplu este nevoie de mai mult timp pentru ca miezul unei piese mari să atingă temperatura necesară.

Răcire

După încheierea etapei de înmuiere, metalul trebuie răcit într-un mod prescris. În această etapă, de asemenea, apar modificări structurale. O soluție solidă la răcire poate rămâne aceeași, poate deveni un amestec mecanic complet sau parțial, în funcție de diverși factori.

Diferite medii, cum ar fi saramura, apa, uleiul sau aerul forțat, controlează viteza de răcire. Secvența mediilor de răcire numite mai sus este în ordinea descrescătoare a ratei efective de răcire. Saramura absoarbe căldura cel mai rapid, în timp ce aerul este cel mai lent.

Este, de asemenea, posibil să se utilizeze cuptoare în procesul de răcire. Mediul controlat permite o precizie ridicată atunci când este necesară o răcire lentă.

Diagrame de fază

Care aliaj metalic are propria diagramă de fază. După cum s-a spus anterior, tratamentul termic se face în funcție de aceste diagrame. Ele arată modificările structurale care au loc la diferite temperaturi și la diferite compoziții chimice.

Să folosim ca exemplu diagrama de fază fier-carbon, deoarece aceasta este cea mai cunoscută și predată pe scară largă în universități.

Diagrama de fază fier-carbon este un instrument important atunci când învățăm despre comportamentul diferitelor oțeluri cu carbon atunci când sunt supuse unui tratament termic. Axa x arată conținutul de carbon din aliaj, iar axa y arată temperatura.

Rețineți că 2,14% de carbon este limita la care oțelul devine fontă,

Diagrama prezintă diferite regiuni în care metalul există în diferite microstatate, cum ar fi austenită, cementită, perlită. Aceste regiuni sunt marcate de limitele A1, A2, A3 și Acm. La aceste interfețe, au loc schimbări de fază atunci când temperatura sau valoarea conținutului de carbon trece prin ele.

A1: Limita superioară a fazei de cementită/ferită.

A2: Limita la care fierul își pierde magnetismul. Temperatura la care un metal își pierde magnetismul se mai numește și temperatura Curie.

A3: Interfața care separă faza austenită + ferită de faza austenită γ (Gamma).

Acm: Interfața care separă câmpul de austenită γ de cel de austenită + cementită.

Diagrama de faze este un instrument important pentru a considera dacă tratamentul termic va fi benefic sau nu. Fiecare structură aduce cu sine anumite calități produsului final și alegerea tratamentului termic se face în funcție de aceasta.

Metode comune de tratament termic

Există destul de multe tehnici de tratament termic din care se poate alege. Fiecare dintre ele aduce cu sine anumite calități.

Cele mai comune metode de tratament termic includ:

• Cuplarea
• Normalizarea
• Întăritul
• Învechirea
• Deztensionarea
• Temperizarea
• Carburizarea

Cuplarea

În recoacere, metalul este încălzit dincolo de temperatura critică superioară și apoi răcit cu o viteză lentă.

Încălzirea se realizează pentru a înmuia metalul. Aceasta face ca metalul să fie mai potrivit pentru prelucrarea și deformarea la rece. De asemenea, îmbunătățește prelucrabilitatea, ductilitatea și tenacitatea metalului.

Cuplarea este, de asemenea, utilă pentru atenuarea tensiunilor din piesă cauzate de procesele anterioare de prelucrare la rece. Deformațiile plastice prezente sunt îndepărtate în timpul recristalizării, atunci când temperatura metalului traversează temperatura critică superioară.

Metalele pot fi supuse la o multitudine de tehnici de recoacere, cum ar fi recoacerea de recristalizare, recoacerea completă, recoacerea parțială și recoacerea finală.

Normalizarea

Normalizarea este un proces de tratament termic utilizat pentru atenuarea tensiunilor interne cauzate de procese precum sudarea, turnarea sau călirea.

În acest proces, metalul este încălzit la o temperatură care este cu 40° C peste temperatura sa critică superioară.

Această temperatură este mai mare decât cea utilizată pentru călire sau recoacere. După ce este menținut la această temperatură pentru o perioadă de timp desemnată, este răcit în aer. Normalizarea creează o dimensiune și o compoziție uniformă a granulelor în întreaga piesă.

Oțelurile normalizate sunt mai dure și mai rezistente decât oțelul recopt. De fapt, în forma sa normalizată, oțelul este mai dur decât în orice altă stare. Acesta este motivul pentru care piesele care necesită rezistență la impact sau care trebuie să suporte sarcini externe masive vor fi aproape întotdeauna normalizate.

Încălzirea

Cel mai comun proces de tratament termic dintre toate, călirea este folosită pentru a crește duritatea unui metal. În unele cazuri, se poate căli doar suprafața.

O piesă de prelucrat se călește prin încălzirea ei la temperatura specificată, apoi se răcește rapid prin scufundarea ei într-un mediu de răcire. Se poate folosi ulei, saramură sau apă. Piesa rezultată va avea o duritate și o rezistență crescute, dar fragilitatea crește prea simultan.

Călirea este un tip de proces de călire în care se călește numai stratul exterior al piesei de prelucrat. Procedeul utilizat este același, dar cum un strat exterior subțire este supus procesului, piesa de prelucrat rezultată are un strat exterior dur, dar un miez mai moale.

Acest lucru este obișnuit pentru arbori. Un strat exterior dur îl protejează de uzura materialului. Atunci când se montează un rulment pe un arbore, se poate deteriora altfel suprafața și se pot disloca unele particule care apoi accelerează procesul de uzură. O suprafață întărită oferă protecție împotriva acestui lucru, iar miezul are în continuare proprietățile necesare pentru a face față solicitărilor de oboseală.

Alte tipuri de procese de călire includ călirea prin inducție, călirea diferențială și călirea cu flacără. Cu toate acestea, călirea la flacără poate avea ca rezultat o zonă afectată termic care se creează odată ce piesa este răcită.

Învechire

Învechirea sau călirea prin precipitare este o metodă de tratament termic utilizată în principal pentru a crește rezistența la rupere a metalelor maleabile. Procesul produce particule dispersate uniform în structura granulară a unui metal care determină modificări ale proprietăților.

Întăritul prin precipitare vine de obicei după un alt proces de tratament termic care atinge temperaturi mai ridicate. Cu toate acestea, îmbătrânirea nu face decât să ridice temperatura la niveluri medii și să o coboare din nou rapid.

Câteva materiale pot îmbătrâni în mod natural (la temperatura camerei), în timp ce altele îmbătrânesc doar în mod artificial, adică la temperaturi ridicate. Pentru materialele care îmbătrânesc în mod natural, poate fi convenabil să fie depozitate la temperaturi mai scăzute.

Liberarea de tensiuni

Liberarea de tensiuni este deosebit de frecventă pentru piese de cazane, butelii de aer, acumulatori etc. Această metodă duce metalul la o temperatură chiar sub limita sa critică inferioară. Procesul de răcire este lent și, prin urmare, uniform.

Aceasta se face pentru a ușura tensiunile care s-au acumulat în piese din cauza proceselor anterioare, cum ar fi formarea, prelucrarea, laminarea sau îndreptarea.

Temperare

Temperarea este procesul de reducere a durității excesive și, prin urmare, a fragilității, induse în timpul procesului de călire. Tensiunile interne sunt, de asemenea, atenuate. Supunerea la acest proces poate face ca un metal să fie potrivit pentru multe aplicații care au nevoie de astfel de proprietăți.

Temperaturile sunt de obicei mult mai mici decât temperaturile de călire. Cu cât temperatura utilizată este mai mare, cu atât piesa finală devine mai moale. Viteza de răcire nu afectează structura metalului în timpul călirii și, de obicei, metalul se răcește în aer liniștit.

Carburarea

În acest proces de tratament termic, metalul este încălzit în prezența unui alt material care eliberează carbon la descompunere.

Carbonatul eliberat este absorbit în suprafața metalului. Conținutul de carbon al suprafeței crește, făcându-l mai dur decât miezul interior.

Ce metale sunt potrivite pentru tratament termic?

Deși metalele feroase reprezintă majoritatea materialelor tratate termic, aliajele de cupru, magneziu, aluminiu, nichel, alamă și titan pot fi, de asemenea, tratate termic.

Aproximativ 80% din metalele tratate termic sunt diferite clase de oțel. Metalele feroase care pot fi tratate termic includ fonta, oțelul turnat, oțelul inoxidabil și diferite clase de oțel pentru scule.

Procese precum călirea, recoacerea, normalizarea, eliberarea de tensiuni, călirea, nitrurarea și revenirea se fac, în general, pe metale feroase.

Cuprul și aliajele de cupru sunt supuse unor metode de tratament termic cum ar fi recoacerea, îmbătrânirea și călirea.

Aluminiul se pretează la metode de tratament termic cum ar fi recoacerea, tratarea termică în soluție, îmbătrânirea naturală și artificială. Tratamentul termic pentru aluminiu este un proces de precizie. Trebuie stabilit domeniul de aplicare a procesului și acesta trebuie controlat cu atenție în fiecare etapă pentru a obține caracteristicile dorite.

Evident, nu toate materialele sunt potrivite pentru formele de tratament termic. În mod similar, un singur material nu va beneficia neapărat de fiecare metodă. Prin urmare, fiecare material trebuie studiat separat pentru a obține rezultatul dorit. Utilizarea diagramelor de fază și a informațiilor disponibile despre efectul pe care îl au metodele menționate mai sus reprezintă punctul de plecare.

.