Tratamente Termice si Termochimice - Sa se proiecteze tehnologia de tratament termic primar si final pentru produsul "Arbore " , executat din otel aliat pentru imbunatatire marca 50VCr11

Tratamente Termice si Termochimice

Tema

Sa se proiecteze tehnologia de tratament termic primar si final pentru produsul "Arbore " , executat din otel aliat pentru imbunatatire marca 50VC_r11, Stas 791/98 si sa se determine numarul de utilaje de baza necesare pentru realizarea unei productii de 200.000 bucati / an.

Cuprins:

Capitolul 1 - Studiul produsului din punct de vedere functional si al proprietatilor necesare

Capitolul 2 - Caracteristicile otelului 33MoCr11

2.1. Compozitia chimica

2.2. Caracteristici mecanice

Capitolul 3 - Studiul tehnologie1 de prelucrare a materialului

3.1. Calculul temperaturii punctelor critice

3.2. Calculul curbei de calibilitate a otelului 33MoCr11

3.3. Calculul ariei si volumului semifabricatului si a piesei finite

3.3.1. Calculul ariei si volumul semifabricatului

3.3.2. Calculul ariei si volumul piesei finite

3.4. Determinarea diametrelor critice de calire ideal si real

Capitolul 4 - Calculul parametrilor termofizici ai materialului

4.1. Calculul temperaturilor medii pe intervale la racire si incalzire

4.2. Calculul parametrilor termofizici ai materialului

4.2.1. Caldura specifica (ci)

4.2.2. Conductivitatea termica (λi)

4.2.3. Masa specifica (ρi)

4.2.4. Difuzivitatea termica (ai)

4.2.5. Masa semifabricatului (msf)

4.2.6. Masa piesei finite (mpf)

Capitolul 5 - Calculul tratamentului termic primar al semifabricatului

5.1. Alegerea variantei de tratament termic primar

5.2. Alegerea utilajului de incalzire

5.3. Recoacerea de normalizare

5.3.1. Determinarea temperaturii de normalizare

5.3.2. Determinarea temperaturii cuptorului

5.3.3. Calculul coeficientului de transfer de caldura prin incalzire

5.3.4. Calculul criteriului Biot si a timpilor de incalzire si mentinere

5.3.5. Calculul curbei de racire

5.3.6. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului productiei date

5.4. Recoacerea subcritica

5.4.1. Determinarea temperaturii de tratament termic si a temperaturii cuptorului

5.4.2. Calculul curbei de incalzire si al coeficientului global de incalzire

5.4.3. Calculul criteriului Biot si a timpilor de incalzire si mentinere

5.4.4. Calculul curbei de racire

5.4.5. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului productiei date

Capitolul 6 - Calculul tratamentului termic final

6.1. Calire martensitica

6.1.1. Caracteristicile cuptorului cu atmosfera controlata

6.1.2. Calculul curbei de incalzire

6.1.2.1. Determinarea temperaturii de calire martensitica

6.1.2.2. Calculul coeficientului de transfer de caldura la incalzire

6.1.2.3. Calculul criteriului Biot

6.1.2.4. Calculul timpilor de incalzire

6.1.3. Calculul curbei de racire

6.1.3.1. Calculul criteriului Biot

6.1.3.2. Calculul timpilor de racire

6.1.4. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului productiei date

6.2. Revenire inalta

6.2.1. Determinarea temperaturii de tratament termic

6.2.2. Determinarea temperaturii cuptorului

6.2.3. Calculul curbei de incalzire

6.2.3.1. Calculul coeficientului de transfer de caldura la incalzire

6.2.3.2. Calculul criteriului Biot

6.2.4. Calculul timpului de mentinere

6.2.5. Calculul curbei de racire

6.2.5.1. Calculul criteriului Biot

6.2.5.2. Calculul timpilor de incalzire

6.2.6. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului productiei date

Capitolul 1

Memoriu justificativ de calcul

Studiul produsului din punct de vedere functional

si al proprietatilor necesare

Materialul din care se executa reperul "Arbore canelat", se alege functie de tipurile si valorile solicitarilor la care este supus in timpul exploatarii si de asemenea in functie de modul in care se realizeaza practic piesa (tipul de prelucrare mecanica si tipul de tratament temic).

Reperul "Arbore " este utilizat pentru transmiterea unei miscari de rotatie in angrenajul unui reductor, iar in timpul functionarii este supus la urmatoarele solicitari de baza:

solicitari statice : incovoierea;

solicitari dinamice: moment de torsiune;

solicitari de frecare intre suprafetele de contact: zona canelurilor, canale de pana;

Combinarea solicitarilor de incovoiere si torsiune determina solicitari la oboseala al reperului, de aceea se cauta obtinerea prin tratament termic a unui start dur la suprafata ancorat de un miez tenace ca sa reziste la socuri.

Tratamentul termic utilizat este calirea urmata de revenire inalta.

Tratamentele termice primare aplicate semifabricatelor au ca scop imbunatatirea structurii pentru a avea o prelucrabilitate mai buna prin aschiere.

Capitolul 2

Caracteristicile otelului 50VC_r11

2.1. Compozitia chimica

OBSERVATII:

1. Elem. reziduale admise: max. 0,30 % Ni, max. 0,30 % Ni, max. 0,30 % Cu, max. 0,o2% Ti
2. X- otel elaborat superior

VALORI ADOPTATE:

2.2. Caracteristici mecanice

Pentru reperul studiat, de diametru max. 25 mm, caracteristicile mecanice ale piesei sunt:

Capitolul 3

Studiul tehnologiei de prelucrare a materialului

Se va utiliza otel sub forma de bara laminata cu = 25 + 10 = 35 mm.

Debitarea acestuia se va realiza la L = 363 + 10 = 373 mm la fierastrau circular.

Tratamentul termic primar aplicat are ca efect inlaturarea defectelor prelucrarilor anterioare ( laminare) si imbunatatirea prelucrabilitatii prin aschiere.

Prelucrarile mecanice prin aschiere aplicate pe strung sunt toate suprafetele de revolutie si gaurile axiale.

Prelucrarile mecanice pe masina de frezat sunt necesare pentru obtinerea canalului de pana.

Mai este realizata si operatia de filetare.

Tratamentul termic final este aplicat pentru obtinerea caracteristicilor piesei in functionare care consta in calire + revenire inalta.

Operatiile finale sunt cele de prelucrare mecanica tip rectificare, finisare, conuire si control tehnic de calitate CTC.

3.1. Calculul temperaturii punctelor critice

Se realizeaza cu relatiile:

A_C1 = 722 - 14 (%Mn) + 22 (%Si) + 23 (%Cr) - 14 (%Ni)

A_C3 = 855 - 180 (%C) - 14 (%Mn) + 45 (%Si) - 18 (%Ni) + 2 (%Cr)

M_S = 539 - 423 (%C) - 30,4 (%Mn) - 17,7 (%Ni) - 12,1 (%Cr) - 7,5 (%Mo)

Obtinem:

A_C1 = 722 - 14 · 0,6 + 22 · 0,2 + 23 · 1,1 - 14 · 0

= 722 - 8,4 + 4,4 + 25,3 T A_C1 = 739,9 ° C

A_C3 = 855 - 180 · 0,35 - 14 · 0,6 + 45 · 0,2 - 18 · 0 + 2 ·1,1

= 855 - 63 - 8,4 + 9 - 2,2 T A_C3 = 794,8 ° C

M_S = 539 - 423 · 0,35 - 30,4 · 0,6 - 17,7 · 0 - 12,1 · 1,1 - 7,5 · 0,2

= 539 - 148,05 - 18,24 - 13,31 - 1,5 T M_S = 357,9 ° C

3.2. Calculul curbei de calibilitate a otelului 33MoCr11

Calibilitatea se determina folosind metoda Jominy.

Pentru aceasta metoda se folosesc epruvete standardizate avand dimensiunile:

25 ± 0,25

Metoda consta in incalzirea epruvetei pana la temperatura de calire a marcii de otel folosit, dupa care se face racirea brusca a capatului epruvetei in conditii stabilite:

jetul de apa trebuie sa ude numai suprafata frontala a epruvetei, fara a uda peretii laterali;

debitul apei trebuie sa fie constant;

La capatul racit brusc cu apa se obtine o structura corespunzatoare operatiei de calire (95% martensita), iar de-a lungul generatoarei duritatea variaza descrescator incepand de la capatul racit cu apa, pana ajunge la duritatea corespunzatoare structurii ferito-perlitice de echilibru a materialului.

Calculul se realizeaza in functie de distanta de la capatul racit l_c folosind relatiile:

pentru l_c ≤ 6 mm (95% martensita)

[ HRC]

J_lc=60

J_lc=50,49 [HCR]

- pentru l_c > 6 mm:

K - punctajul grauntelui austenitic, cu valori cuprinse intre 57;

Vom adopta K = 6.

-pentru l_c= 8

J_lc=95

·0.898·8-13

J_lc = 56,202-0,104+22+7,6+8,4+1,22-34,73+7,18-13[ HRC]

J_lc =57,649 [ HRC]

- pentru l_c = 10 mm:

J_lc =85,302-0,163-38,832+8,98 =55,287[ HRC]

- pentru l_c = 12 mm:

J_lc =85,302-0,235-42,53+10,776 =53,313[ HRC]

- pentru l_c = 15 mm:

J_lc = 85,302-0,367-47,56+13,47= 50,845[ HRC]

- pentru l_c = 20 mm:

J_lc =85,302-0,655-54,917+17,96= 47,69[ HRC]

- pentru l_c = 25 mm:

J_lc = 85,302-1,020-61,4+22,45= 45,332 [ HRC]

- pentru l_c = 30 mm:

J_lc = 85,302-1,469-67,26+26,94= 43,513[ HRC]

- pentru l_c = 40 mm:

J_lc =85,302-2,612-77,665+35,92 = 40,945[ HRC]

- pentru l_c = 45 mm:

J_lc = 85,302-3,306-82,376+40,41 = 40,03[ HRC]

-pentru l_c =50 mm

J_lc =85,302-4,082-86,832+44,9 = 39,288[HCR]

lc[mm]		8	10	12	15	20	25	30	40	45	50
JlcHRC
JlcHRC adoptate

Fig. 1. Banda de calibilitate a otelului 50VC_r11 +GRAFIC

3.3. Calculul ariei si volumului semifabricatului si a piesei finite

3.3.1. Calculul ariei si volumului semifabricatului

Semifabricatul folosit va avea forma prezentata in figura de mai jos.

Fig.2. Dimensiunile semifabricatului

Calculul ariei:

A_totala = A_l + 2 · A_b

A_l = 2πRL = 2 · 3,14 · 17,5 · 373 = 40992,7 mm²

A_b = π R² = 3,14 · 17,5² = 1923,25 mm²

A_totala = 40992,7 + 2 · 1923,25 = 44839,2 mm² = 0,0448 m²

Calculul volumului: V = π R² L = 3,14 · 17,5² · 373 = 358686,12 mm³ V=0,000358 m³

3.3.2. Calculul ariei si volumului piesei finite

Fig.3. Dimensiunile piesei finite

Impartind piesa in corpuri geometrice simple, obtinem 4 cilindri care compun piesa.

A_t = A_l1 + A_l2 + A_l3 + A_l4 +A_c1 +(A_c2-A_c1)+(A_c2-A_c3)+(A_c3-A_c4)+A_c4

A_l=2πrl   A_b=πr²

A_t =(2·3,14·9·110)+(2·3,14·12,5·112)+(2·3,14·10·126)+(2·3,14·9·15)+(3,14·9²)+ +[(3,14·12,5²)-(3,14·9²)]+[(3,14·12,5²)-(3,14·10²)]+[(3,14·10²)-(3,14·9²)]+(3,14·9²)

A_t = 24751,04 mm² = 0,024751 m²

V_total = V₁ + V₂ + V₃+ V₄

V₁ = π R² L_l= 3,14 · 9² · 110 = 27977,4 mm²

V₂ = π R² L₂ = 3,14 · 12,5² · 112 = 54950 mm²

V₃ = π R² L₃ = 3,14 · 10² · 126 = 39564 mm²

V₄ = π R² L₄ = 3,14 · 9² · 15 = 3815,1 mm²

V_total = 126306,5 mm² = 0,000126 m³

3.4. Determinarea diametrelor critice de calire ideal si real

Prin diametru critic se intelege diametrul maxim al unei piese cilindrice din otel care se caleste la duritatea semimartensitica in centrul sectiunii (inaltimea piesei este egala cu dublul diametrului), duritatea martensitica fiind corespunzatoare unei structuri cu 50% martensita in structura.

Proba este standardizata si are H = 2D.

Cu ajutorul diametrelor critice se pot face aprecieri asupra calibilitatii otelurilor.

Etapele care se parcurg pentru determinarea diametrelor critice si reale sunt urmatoarele:

a) Cunoscand continutul de carbon se determina calibilitatea zonei semimartensitice

C = 0,35 % T HRC_{semimartensitic} = 40

b) Cunoscand HRC_{semimartensitic} , cu ajutorul diagramei de calibilitate a otelului 33MoCr11 se obtine lungimea zonei semimartensitice:

l_cSM = 45 mm

c) Cunoscand lungimea zonei semimartensitice se determina diametrul critic ideal (D_ci) , care reprezinta diametrul maxim al unei piese calie intr-un mediu de calire ideal cu viteza infinita de racire:

D_ci = 140 mm

d) Cunoscand diametrul critic ideal, in functie de modul de agitatie a mediului si intensitatea de racire a mediului, se determina diametrele critice reale conform tabelului:

Medii de racire	Grad de agitare	Dcr [mm]	Dci [mm]	Intensitatea de racire
ulei	fara agitare
ulei	agitare foarte buna
apa	fara agitare
apa	agitare foarte buna

Capitolul 4

Calculul parametrilor termofizici ai materialului

4.1. Calculul temperaturilor medii pe intervale la racire si incalzire

La racire : 1) 900 800 °C 2) 800 600 °C 3) 600 400 °C 4) 400 200 °C 5) 200 20 °C

Intervalele pe care vor avea loc procesele de incalzire - racire sunt:

La incalzire: 1) 20 200 °C

2) 200 400 °C

3) 400 600 °C

4) 600 800 °C

5) 800 900 °C

Temperatura medie de pe fiecare interval se stabileste cu relatia:

[ C] + 273 [ K]

unde: T_oi = temperatura initiala pe intervalul i;

T_fi = temperatura finala pe intervalul i.

La incalzire

La racire

Temperatura in grade Kelvin se stabileste cu relatia:

T_{med i (K)} = T_{med i (°C)} + 273 [K]

Obtinem: La incalzire: T_{med 1 (K)} = T_{med 1 (°C)} + 273 = 413,14 [K]

T_{med 2 (K)} = T_{med 2 (°C)} + 273 = 606,48 [K]

T_{med 3i (K)} = T_{med 3 (°C)} + 273 = 806,48 [K]

T_{med 4 (K)} = T_{med 4(°C)} + 273 = 1006,48 [K]

T_{med 5 (K)} = T_{med 5 (°C)} + 273 = 1139,81 [K]

La racire : T_{med 1 (K)} = T_{med 1 (°C)} + 273 = 1106,48 [K]

T_{med 2 (K)} = T_{med 2 (°C)} + 273 = 938,81 [K]

T_{med 3 (K)} = T_{med 3 (°C)} + 273 = 739,81 [K]

T_{med 4 (K)} = T_{med 4(°C)} + 273 = 539,81 [K]

T_{med 5 (K)} = T_{med 5 (°C)} + 273 = 353,15 [K]

i	Toi [°C]	Tfi [°C]	Tmed i [°C]	Tmed i [K]	ki
						La incalzire
		tt = 900
	tt = 900					La racire

4.2. Calculul parametrilor termofizici ai materialului

4.2.1. Caldura specifica (c_i)

Se calculeaza cu relatia:

unde: a, b = constante ce tin cont de materialul din care se executa piesa

- pentru otel: a = 0,112; b = 0,8.

La incalzire:

La racire:

4.2.2. Conductivitatea termica (λ_i)

Se calculeaza cu relatia:

unde: - k_i = valoarea tabelata anterior;

- Σ = suma tuturor procentelor elementelor de aliere ce intra in compozitia otelului + procentul de carbon

Σ = % C + % Mn + % Si + % Cr + % P + % S + % Ni + % Cu + % V + % Ti

Σ = 0,35 + 0,6 + 0,2+ 1,1+ 0,03 + 0,03 + 0,15 + 0,01

La incalzire

La racire valorile λ_i sunt acelasi dar inversate (de jos in sus)

4.2.3. Masa specifica (ρ_i)

Se calculeaza cu relatia:

La incalzire

La racire

4.2.4. Difuzivitatea termica (a_i)

Se calculeaza cu relatia:

La incalzire

La racire

4.2.5.Masa semifabricatului ( msf)

Se calculeaza cu relatia:

Obtinem:

4.2.6. Masa piesei finite ( mpf)

Se calculeaza cu relatia:

Capitolul 5

Calculul tratamentului termic primar al semifabricatului

5.1. Alegerea variantei de tratament termic primar

Ca variante de tratament termic se alege o recoacere de normalizare urmata de o recoacere de globulizare cu globulizare subcritica. Recoacerea de normalizare se aplica in scopul regenerarii structurii dupa prelucrarile anterioare de forjare, laminare sau matritare, precum si pentru obtinerea unei bune omogenizari chimice si structurale a materialului din care este executat semifabricatul.

In principal se obtine o finisare a structurii. Recoacerea de normalizare consta in mentinerea peste A_C3 cu 30 - 60 °C pentru uniformizarea temperaturii si desavarsirea transformarii structurale urmata de racire in aer liber cu scopul micsorarii marimii grauntelui, uniformizarea structurala si ameliorarea caracteristicilor mecanice si tehnologice.

La otelurile hipoeutectoide se obtine la racire o structura perlitica fina, care are in componenta Ce lamelara, ce este abraziva pentru scula aschietoare.

Recoacerea subcritica de globulizare se aplica pentru a obtine o valoare a duritatii convenabila astfel incat semifabricatul sa fie usor prelucrabil prin aschiere.

Recoacerea subcritica consta in incalzirea otelului sub A_C1, mentinerea o perioada mai indelungata urmata de o racire lenta o data cu cuptorul. In urma acestui tratament se obtine o globulizare a perlitei lamelare formata anterior. S-a modificat numai forma particulelor de cementita din perlita.

Tratamentul termic de globulizare se face subcritic (sub A_C1) pentru a se putea pastra efectul tratamentului termic de normalizare.

5.2. Alegerea utilajului de incalzire

Se foloseste un cuptor cu flacarar si vatra fixa, incalzirea facandu-se cu gaz metan si avand urmatorii parametri:

temperatura maxima de incalzire a cuptorului este T_max = 1100°C;

lungimea este L = 1500mm = 1,5 m;

latimea este l = 1000 mm = 1,0 m;

inaltimea este h = 600 mm = 0,6 m;

greutatea maxima a sarjei este G_max = 500kg.

5.3. Recoacerea de normalizare

5.3.1. Determinarea temperaturii de normalizare

Se face cu relatia:

T_ttN = A_C3 + (30 60 °C); [°C]

Se obtine:

T_ttN = 794,8 + 45 = 840 [°C]

T_ttN = 840 + 273 = 1113 [K]

5.3.2. Determinarea temperaturii cuptorului

Se face cu relatia:

T_C = T_ttN + (20 60 °C); [°C]

Se obtine:

T_C = 840 + 40 = 880 [°C]

T_C = 880 + 273 = 1153 [K]

5.3.3. Calculul coeficientului de transfer de caldura prin incalzire

Se face cu relatia: α_i = α_c + α_ri [W/m² · K] , unde:

● α_c = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulatia gazelor in cuptor;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 5,58 + 3,9 · v - pentru suprafete netede;

α_c = 6,15 + 4,19 · v - pentru suprafete rugoase;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor : v = 510 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 7,12 · v ^0,78 - pentru suprafete netede;

α_c = 7,58 · v ^0,78 - pentru suprafete rugoase;

Deoarece avem de-a face cu un semifabricat, acesta nu va fi prelucrat anterior prin aschiere, deci va avea o suprafata rugoasa.

Pentru o viteza de circulatie a gazelor in interiorul cuptorului a carei valoare adoptata este v = 8 m/s, obtinem:

α_c = 7,58 · v ^0,7 = 7,58 · 8 ^0,78 = 7,58 · 5,06= 38,37[W/m² · K]

● α_ri = coeficient de transfer termic prin radiatie, se calculeaza cu relatia:

unde: T_C = temperatura cuptorului, in grade Kelvin;

T_{med i} = temperatura medie pe intervale, in grade Kelvin;

C₀ = constanta de radiatie a corpului negru , cu valoarea C₀ = 5,77 W/m² · K;

ε_r = grad redus de negreala, se calculeaza cu relatia:

unde: - ε₁ = grad redus de negreala al piesei incarcata in cuptor, cu valorile:

ε₁ = 0,9 pentru piese tratate anterior;

ε₁ = 0,7 0,8 pentru piese semifabricate;

ε₁ = 0,350,4 pentru piese cu luciu metalic.

Se adopta: ε₁ = 0,8

ε₂ = grad redus de negreala al zidariei refractare, cu valoarea ε₂ = 0,75.

φ₁₂ = coeficient ce depinde de asezarea pieselor pe vatra. Se adopta φ₁₂ = 1.

φ₂₁ = raportul dintre suprafetele de radiatie, se calculeaza cu relatia:

A_{tot.semifabricat} = 0,048 m²

A_tot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h) [ m² ]

A_tot.cuptor = 2 · (1,5 · 1 + 1,5 · 0,6 + 1 · 0,6) [ m² ]

A_tot.cuptor = 6 [ m² ]

Obtinem:

La incalzire:

Pentru o valoare a T_ttN = 840 [°C], vom calcula valoarea T_med.5 cu relatia folosita anterior in paragraful 4.1:

T

Obtinem:

Rezulta: α₁ = 38,37+ 108,175 = 146,55 [W/m² · K]

α ₂ = 38,37+ 137,5= 175,87 [W/m² · K]

α₃ = 38,37+ 178,626=216,99 [W/m² · K]

α₄ = 38,37+ 232,911 = 271,28 [W/m² · K]

α₅ = 38,37+258,74 = 297,11 [W/m² · K]

5.3.4. Calculul criteriului Biot si a timpilor de incalzire si mentinere

Criteriul Biot este un criteriu adimensional si se calculeaza cu relatia:

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic total pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a semifabricatului, se calculeaza cu relatia:

x = _sf / 2 = 35 / 2 = 17,5mm = 0,017 m

Obtinem:

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa semifabricatului, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria semifabricatului;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i;

T_C = temperatura cuptorului, [°C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

t_inc.total  = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ + t₅

t_inc.total  = 59,17 + 101,14 +116,61 +216,46 + 118,84 = 607,22 [s]

Timpul de mentinere se calculeaza cu relatia:

t_mentinere = t_inc.total · ¼ = 607,22 · ¼ = 151,80 [s]

5.3.5. Calculul curbei de racire

Racirea la operatia de normalizare se realizeaza in aer, pentru a se obtine o structura de echilibru cu o granulatie foarte fina.

Se foloseste pentru calculul curbei coeficientul global de tratament termic α_aer functie de intervalul de temperatura, tinand cont ca racirea se face in aer linistit.

Prin interpolare se determina α_{med. i} corespunzator temperaturilor medii ale intervalelor.

Fig.5. Calcul prin interpolare

Obtinem:

Se calculeaza criteriul Biot la racire pe intervale cu relatia: ,

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic al aerului pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a semifabricatului, se calculeaza cu relatia:

x = _sf / 2 = 35 / 2 = 17,5 mm = 0,017 m

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa semifabricatului, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria semifabricatului;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i;

T_med.r = temperatura mediului de racire, [T_med.r = 20 °C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

t_racire.total = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ + t₅

t_racire.total = 24,26+ 177,26+ 381,25+ 1153,59+ 7500,17= 9236,53[s]

Diagrama de transformare anizoterma a austenitei a otelului 33MoCr11

Grafic curba de NORMALIZARE

5.3.6. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului productiei date

Timpul de utilizare a unui cuptor se calculeaza cu relatia:

t_u = t_inc.tot + t_mentinere = 607,22+ 151,80 = 752,02[s] = 0,21 [h]

Timpul ciclului de functionare se calculeaza cu relatia:

T_ciclu = K_a · t_u = 2 · 752,02= 1504,04[s] = 0,41 [h] ,

unde K_a = coeficient necesar miscarii auxiliare.

Productivitatea incalzirii la tratamentul de normalizare se calculeaza cu relatia: , unde N - numarul de semifabricate din sarja.

N = n₁ · n₂

unde: d - diam. max. al semifabricatelor;

l - latimea cuptorului;

L - lungimea cuptorului.

Obtinem: n₁ = =3,75 Adoptam n₁= 3 piese

n₂ = =28,57. Adoptam n₂ =28.

N = 3· 28 = 84 semifabricate.

P_N = =559,31 kg/h.

Numarul de utilaje se calculeaza cu relatia:

unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;

K_i = coeficient ce depinde de gradul de incarcare al cuptorului (0,8÷0,9)

Se adopta K_i = 0,8;

F_r = fondul real de timp (F_r = (1 - t_a) · F_t );

F_t = fondul de timp al utilajului (F_t = 6777 ore/an);

t_a = timpul necesar pentru operatii auxiliare ( t_a = 0,15).

F_r = (1 − t_a) · F_t = (1 − 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.

Deoarece N_u = 0,211 T este necesar un singur cuptor

5.4. Recoacerea subcritica

Dupa normalizare, semifabricatul rezulta cu o structura uniforma omogena din punct de vedere chimic si structural, avand o granulatie fina (normalizarea finiseaza structura).Otelul are o duritate de HRC ( s-a obtinut din diagrama, dupa efectuarea racirii). Pentru a scadea duritatea semifabricatului astfel incat sa fie usor de prelucrat prin aschiere (forte mici de aschiere si uzura redusa a sculelor) se va realiza o recoacere subcritica de globulizare. Aceasta operatie are ca efect modificarea cementitei din perlita, care este lamelara si foarte abraziva, in cementita globulara.

Figura .8.

5.4.1. Determinarea temperaturii de tratament termic si a temperaturii cuptorului

Determinarea temperaturii de globulizare se face cu relatia:

T_ttG = A_C1 - (30 ÷ 50 °C); [°C]

Se obtine: T_ttG = 739,9 - 40,9 = 699 [°C]

T_ttG = 699 + 273 = 972 [K]

Determinarea temperaturii cuptorului se face cu relatia:

T_C = T_ttG + (20 ÷ 40 °C); [°C]

Se obtine: T_C = 699 + 30 = 729 [°C] = 1002 [K]

5.4.2. Calculul curbei de incalzire si al coeficientului global de incalzire

Calculul se realizeaza la fel ca in cazul normalizarii, deoarece avem acelasi cuptor, cu exceptia gradului redus de negreala al piesei, deoarece acum avem piesa tratata termic anterior.

Calculul se face cu relatia: α_i = α_c + α_ri [W/m² · K] , unde:

● α_c = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulatia gazelor in cuptor;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 5,58 + 3,9 · v - pentru suprafete netede;

α_c = 6,15 + 4,19 · v - pentru suprafete rugoase;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor : v = 510 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 7,12 · v ^0,78 - pentru suprafete netede;

α_c = 7,52 · v ^0,78 - pentru suprafete rugoase;

Deoarece avem de-a face cu un semifabricat, acesta nu va fi prelucrat anterior prin aschiere, deci va avea o suprafata rugoasa.

Pentru o viteza de circulatie a gazelor in interiorul cuptorului a carei valoare adoptata este v = 8 m/s, obtinem:

α_c = 7,52 ·8^0,78 = 38,07 [W/m² · K]

● α_ri = coeficient de transfer termic prin radiatie, se calculeaza cu relatia:

unde: T_C = temperatura cuptorului, in grade Kelvin;

T_{med i} = temperatura medie pe intervale, in grade Kelvin;

C₀ = constanta de radiatie a corpului negru , cu valoarea C₀ = 5,77 W/m² · K;

ε_r = grad redus de negreala, se calculeaza cu relatia:

unde: - ε₁ = grad redus de negreala al piesei incarcata in cuptor, cu valorile:

ε₁ = 0,9 pentru piese tratate anterior;

ε₁ = 0,7 0,8 pentru piese semifabricate;

ε₁ = 0,350,4 pentru piese cu luciu metalic.

Se adopta: ε₁ = 0,8

ε₂ = grad redus de negreala al zidariei refractare, cu valoarea ε₂ = 0,75.

- φ₁₂ = coeficient ce depinde de asezarea pieselor pe vatra. Se adopta φ₁₂ = 1.

- φ₂₁ = raportul dintre suprafetele de radiatie, se calculeaza cu relatia:

A_{tot.semifabricat} = 0,044 m²

A_tot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h) [ m² ]

A_tot.cuptor = 2 · (1,5 · 1 + 1,5 · 0,6 + 1 · 0,6) [ m² ]

A_tot.cuptor = 6 [ m² ]

Obtinem:

La incalzire:

Pentru o valoare a T_ttG = 699 [°C], vom calcula valoarea T_med.4 cu relatia folosita anterior: T

Obtinem:

Rezulta: α₁ = 38,07 + 76,5 = 114,57 [W/m² · K]

α ₂ = 38,07 + 101,59 = 139,66 [W/m² · K]

α₃ = 38,07 + 137,63 = 175,7 [W/m² · K]

α₄ = 38,07 + 168,53 = 206,6 [W/m² · K]

Nr. crt.	Interval	TC [K]	Tmed [K]	αc [W/m2 · K]	εr	αri [W/m2 · K]	αi [W/m2 · K]

5.4.3. Calculul criteriului Biot si a timpilor de incalzire si mentinere

Criteriul Biot este un criteriu adimensional si se calculeaza cu relatia:

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic total pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a semifabricatului, se calculeaza cu relatia:

x = _sf / 2 = 35 / 2 =17,5 mm = 0,017m

Obtinem:

T

Nr. crt.	Interval	αi [W/m2 · K]	λi [W/m · K]	x [m]	Bii	Bimediu

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa semifabricatului, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria semifabricatului;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i;

T_C = temperatura cuptorului, [°C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

t_inc.total  = t₁ + t₂ + t₃ + t₄

t_inc.total  = 95,93 + 141,21 + 243,34 + 351,63 = 832,11 [s]

Timpul de mentinere se calculeaza cu relatia:

t_mentinere = t_inc.total · ¼ = 832,11 · ¼ = 208,02 [s]

5.4.4. Calculul curbei de racire

Piesele se racesc continuu si lent in cuptor, cu o viteza de racire de 25 ÷ 35°C/h, pana la atingerea unei temperaturi notata T_evacuare, care pentru otelurile de imbunatatire sunt cuprinse in intervalul (250; 450) °C.

Vom adopta temperatura de evacuare T_evacuare = 300 °C, iar in cazul vitezei de racire vom adopta valoarea v = 30°C/h.

Cu valorile adoptate vom calcula timpul de racire, cu formula:

T

Dupa racirea in cuptor urmeaza racirea in aer, care se calculeaza folosind α_aer pe intervale.

Prin interpolare se determina α_{med. i} corespunzator temperaturilor medii ale intervalelor.

Fig.9. Calcul prin interpolare

Obtinem:

Se calculeaza criteriul Biot la racire pe intervale cu relatia:

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic al aerului pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a semifabricatului, se calculeaza cu relatia:

x = _sf / 2 = 35 / 2 = 17,5mm = 0,017 m

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa semifabricatului, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria semifabricatului;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i = α_aer ;

T_med.r = temperatura mediului de racire, [T_med.r = 20 °C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

t_racire.total = t_{racire cuptor} + t₁ + t₂

t_racire.total = 47880 + 1153,6+ 7500,2 = 57020,8 [s] = 15,83 [h]

Grafic GLOBULIZARE

5.4.5. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului productieidate

Timpul de utilizare a unui cuptor se calculeaza cu relatia:

t_u = t_inc.tot + t_mentinere + t_{racire cuptor} = 832,11 + 208,02 + 47880 = 48920,13 [s]

= 13,58 [h]

Timpul ciclului de functionare se calculeaza cu relatia:

T_ciclu = K_a · t_u = 2 · 48920,13 = 97840,26 [s] = 27,17 [h] ,

unde K_a = coeficient necesar miscarii auxiliare.

Productivitatea incalzirii la tratamentul de normalizare se calculeaza cu relatia: ,

unde N = 64 - numarul de semifabricate din sarja (calculat anterior).

P_N = 2,73 · 84 / 27,17= 8,44 kg/h.

Numarul de utilaje se calculeaza cu relatia:

unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;

K_i = coeficient ce depinde de gradul de incarcare al cuptorului (0,8÷0,9)

Se adopta K_i = 0,8;

F_r = fondul real de timp (F_r = (1 - t_a) · F_t );

F_t = fondul de timp al utilajului (F_t = 6777 ore/an);

t_a = timpul necesar pentru operatii auxiliare ( t_a = 0,15).

F_r = (1 − t_a) · F_t = (1 − 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.

Deoarece N_u = 14,03T sunt necesare 15 cuptoare

Capitolul 6

Calculul tratamentului termic final

Tratamentul termic final se aplica piesei finite si tine cont de proprietatile necesare in exploatare ale acesteia, si anume: o rezilienta buna si o duritate ridicata la suprafata, care imprima proprietatea de rezistenta la uzura. De exemplu, este necesar in cazul suprafetelor de contact pentru fusuri.

Duritatea e data de operatia de tratament termic de calire, iar tenacitatea piesei se obtine in urma tratamentului termic de revenire inalta, cand se obtine o structura sorbitica, cu bune proprietati de rezilienta.

Tratamentul termic final se numeste imbunatatire si consta dintr-o calire urmata de o revenire inalta.

6.1. Calire martensitica

Pentru a se asigura o calire martensitica se foloseste un cuptor cu atmosfera controlata, cu tuburi radiante si bazin de calire integrat.

Acest cuptor trebuie sa realizeze doua cerinte:

incalzirea pieselor in cuptor trebuie sa fie lenta, astfel incat sa nu apara tensiuni termice mari, care pot duce la deformarea sau la fisurarea piesei;

incalzirea trebuie sa fie realizata intr-o atmosfera care sa nu produca decarburarea stratului superficial al piesei.

Pentru aceasta se calculeaza potentialul de carbon al atmosferei cuptorului ce este necesar la un tratament termic corect, cu relatia lui Gunnarson:

6.1.1. Caracteristicile cuptorului cu atmosfera controlata

Se foloseste un cuptor cu atmosfera controlata, cu urmatorii parametri:

temperatura maxima de incalzire a cuptorului este T_max = 950°C;

lungimea este L = 1200mm = 1,2 m;

latimea este l = 760 mm = 0,76 m;

inaltimea este h = 760 mm = 0,76 m;

greutatea maxima a sarjei este G_max = 600kg.

6.1.2. Calculul curbei de incalzire

6.1.2.1.Determinarea temperaturii de calire martensitica si

a temperaturii cuptorului

T_ttCM = A_C3 + (30 ÷ 50 °C); [°C]

Se obtine: T_ttCM = 794,8 +40,2 = 835 [°C]

T_ttCM = 835 + 273 = 1108 [K]

Determinarea temperaturii cuptorului se face cu relatia:

T_C = T_ttCM + (10 ÷ 20 °C); [°C]

Se obtine: T_C = 835 + 18 = 853 [°C] = 1126 [K]

6.1.2.2. Calculul coeficientului de transfer de caldura la incalzire

Calculul se face cu relatia:

α_i = α_c + α_ri [W/m² · K] , unde:

α_c = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulatia gazelor in cuptor;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 5,58 + 3,9 · v - pentru suprafete netede;

α_c = 6,15 + 4,19 · v - pentru suprafete rugoase;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor : v = 510 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 7,12 · v ^0,78 - pentru suprafete netede;

α_c = 7,52 · v ^0,78 - pentru suprafete rugoase;

Deoarece avem de-a face cu piesa finita, aceasta fiind prelucrata anterior prin aschiere, va avea o suprafata neteda.

Pentru o viteza de circulatie a gazelor in interiorul cuptorului a carei valoare adoptata este v =8 m/s, obtinem:

α_c = 7,12· 8^0,78= 36,05 [W/m² · K]

● α_ri = coeficient de transfer termic prin radiatie, se calculeaza cu relatia:

unde: T_C = temperatura cuptorului, in grade Kelvin;

T_{med i} = temperatura medie pe intervale, in grade Kelvin;

C₀ = constanta de radiatie a corpului negru , cu valoarea C₀ = 5,77 W/m² · K;

ε_r = grad redus de negreala, se calculeaza cu relatia:

unde: - ε₁ = grad redus de negreala al piesei incarcata in cuptor, cu valorile:

ε₁ = 0,9 pentru piese tratate anterior;

ε₁ = 0,7 0,8 pentru piese semifabricate;

ε₁ = 0,350,4 pentru piese cu luciu metalic.

Se adopta: ε₁ = 0,4

ε₂ = grad redus de negreala al zidariei refractare, cu valoarea ε₂ = 0,75.

- φ₁₂ = coeficient ce depinde de asezarea pieselor pe vatra. Se adopta φ₁₂ = 1.

- φ₂₁ = raportul dintre suprafetele de radiatie, se calculeaza cu relatia:

A_{tot.piesa finita} = 0,024 m²

A_tot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h) [ m² ]

A_tot.cuptor = 2 · (1,2 · 0,76 + 1,2 · 0,76 + 0,76 · 0,76) [ m² ]

A_tot.cuptor = (0,912 + 0,912 + 0,577) · 2 = 4,8 [ m² ]

Obtinem:

La incalzire:

pentru o valoare aT_ttCM =835 [sC] vom calcula T_med 800-835 cu formula

T_{med i}=T_0i+ (T_fi-T_0i)

T_{med i =800+} (853-800) =835,33 [sC] =1108 [K]

Rezulta: α₁ = 36,05+ 50,97= 87,02 [W/m² · K]

α ₂ = 36,05 + 65,24 = 101,29 [W/m² · K]

α₃ = 36,05 + 85,34 = 121,39 [W/m² · K]

α₄ = 36,05 + 111,95 = 148 [W/m² · K]

[W/m² · K]

6.1.2.3. Calculul criteriului Biot

Criteriul Biot este un criteriu adimensional si se calculeaza cu relatia: ,

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic total pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a piesei, se calculeaza cu relatia:

x = _piesa / 2 = 25 / 2 = 12,5 mm = 0,012 m

Obtinem:   

6.1.2.4. Calculul timpilor de incalzire

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa piesei finite, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria piesei finite;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i;

T_C = temperatura cuptorului, [°C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

  

t _{incalzire 5}= ∙ln = 221,5 [s]

t_inc.total  = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ +t₅

t_inc.total  = 67,7+96,8+141,4+339,6+221,5=867 [s]

Timpul de mentinere se calculeaza cu relatia:

t_mentinere = t_inc.total · ¼ = 867 · ¼ = 216,75 [s]

6.1.3. Calculul curbei de racire

La calire, racirea se face in ulei de tratament termic, deoarece diametrul piesei este de 50 mm si nu este comparabil cu D_cr = 90 mm.

6.1.3.1. Calculul criteriului Biot

Criteriul Biot este un criteriu adimensional si se calculeaza cu relatia:

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic total pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a piesei, se calculeaza cu relatia:

x = _piesa / 2 = 25 / 2 = 12,5 mm = 0,012 m

Prin interpolare se determina α_{med. i} corespunzator temperaturilor medii ale intervalelor.

Fig. 10 . Calcul prin interpolare

Obtinem:

Obtinem: 

T

6.1.3.2. Calculul timpilor de racire

Deoarece Bi_med T piesa este considerata groasa, iar calculul timpilor de racire se face criterial, cu ajutorul criteriilor Biot si Fourier.

Se va calcula:

unde: - T_0i - temperatura initiala pe intervalul i;

T_fi - temperatura finala pe intervalul i;

T_m - temperatura mediului ambiant = 50°C.

Pentru: ; .

Din diagrama rezulta:

- pentru q_c1 q_s1 = 0,975si Bi₁ = 0,11 T Fo_c1 = 0,3 ; Fo_s1 = 0,004;

- pentru q_c2 q_s2 = 0,743si Bi₂ = 0,58 T Fo_c2 = 0,42 ; Fo_s2 = 0,17;

- pentru q_c3 q_s3 = 0,655 si Bi₃ = 0,41 T Fo_c3 = 0,8 ; Fo_s3 = 0,05;

- pentru q_c4 q_s4 = 0,474 si Bi₄ = 0,15 T Fo_c4 = 2,4 ; Fo_s4 = 1,25;

- pentru q_c5 q_s5 = 0,05si Bi₅ = 0,073 T Fo_c5 = 17 ; Fo_s5 = 15;

Obtinem:

  

 

   

Timpul total de racire este:

t_{c racire total} = t_c1 + t_c2 + t_c3 + t_c4 +t_c5

t_{c racire total} = 7,85+9,6+18,28+37,9+218,5=293 [s]

t_{s racire total} = t_s1 + t_s2 + t_s3 + t_s4 + t_s5

t_{s racire total} = 0,104+3,8+11,42+19,7+192,8[s].

Diagrama criteriu temperatura centru +suprafata

(doua poze pe aceiasi foaie)

Curba de calire MARTENSITICA

6.1.4. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii volumului

productiei date

Timpul de utilizare a unui cuptor se calculeaza cu relatia:

t_u = t_inc.tot + t_mentinere = 867 + 216,75 = 1083,7 [s] = 0,301 [h]

Timpul ciclului de functionare se calculeaza cu relatia:

T_ciclu = K_a · t_u = 2 ·1083,7 = 2167,4 [s] = 0,602 [h] ,

unde K_a = coeficient necesar miscarii auxiliare.

Productivitatea incalzirii la tratamentul de calire martensitica se calculeaza cu relatia: , unde N - numarul de piese din sarja.

N = n₁ · n₂

unde: d - diam. max. al piesei;

l - latimea cuptorului;

L - lungimea cuptorului.

Obtinem: n₁ = (1200 - 100)/363 = 1100/363 = 2,75 . Adoptam n₁ = 2.

n₂ = 760 / 25 = 30,4 . Adoptam n₂ = 30.

N = 2 · 30 = 60 semifabricate

P_N = 0,96 · 60 / 0,602= 95,68 kg/h.

Numarul de utilaje se calculeaza cu relatia:

unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;

K_i = coeficient ce depinde de gradul de incarcare al cuptorului (0,8÷0,9)

Se adopta K_i = 0,8;

F_r = fondul real de timp (F_r = (1 - t_a) · F_t );

F_t = fondul de timp al utilajului (F_t = 6777 ore/an);

t_a = timpul necesar pentru operatii auxiliare ( t_a = 0,15).

F_r = (1 − t_a) · F_t = (1 − 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.

Deoarece N_u = 0,43 T este necesar un singur cuptor

6.2. Revenire inalta

Imediat dupa operatia de calire se aplica obligatoriu operatia de revenire, deoarece structura obtinuta in urma calirii (martensita + austenita reziduala) este instabila si fragila, iar revenirea inalta are scopul de a aduce materialul intr-o stare mai apropiata de echilibru, de a micsora fragilitatea materialului (creste tenacitatea) si totodata micsoreaza valoarea tensiunilor interne datorate vitezelor mari de racire la care au fost supuse.

Structura obtinuta dupa revenirea inalta este o structura sorbitica, iar piesa trebuie sa capete caracteristicile mecanice trecute de proiectant pe desenul de executie al piesei. Parametrii importanti ai tratamentului termic de revenire sunt temperatura de mentinere si timpul de mentinere.

Variatia prop mecanice a otelului

6.2.1. Determinarea temperaturii de tratament termic

Din tabelul cu caracteristici mecanice, in functie de dimensiunile piesei, se alege temperatura de revenire.

Adoptam R_m = 880 - 1080 [N/mm²], iar din diagrama din figura de mai jos adoptam temperatura de revenire T_R = 640 °C.

6.2.2. Determinarea temperaturii cuptorului si

alegerea utilajului de incalzire

Determinarea temperaturii cuptorului se face cu relatia:

T_C = T_ttR + (10 ÷ 20 °C); [°C]

Se obtine: T_C = 640 + 20 = 660 [°C] = 933 [K]

Pentru incalzire se foloseste un cuptor electric, cu urmatorii parametri:

temperatura maxima de incalzire a cuptorului este T_max = 950°C;

lungimea este L = 600mm = 0,6 m;

latimea este l = 500 mm = 0,5 m;

inaltimea este h = 500 mm = 0,5 m;

greutatea maxima a sarjei este G_max = 500kg.

6.2.3. Calculul curbei de incalzire

6.2.3.1. Calculul coeficientului de transfer de caldura la incalzire

Calculul se face cu relatia:

α_i = α_c + α_ri [W/m² · K] , unde:

α_c = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulatia gazelor in cuptor;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 5,58 + 3,9 · v - pentru suprafete netede;

α_c = 6,15 + 4,19 · v - pentru suprafete rugoase;

- pentru o viteza de circulatie a gazelor : v = 510 m/s, valorile α_c vor fi:

α_c = 7,12 · v ^0,78 - pentru suprafete netede;

α_c = 7,52 · v ^0,78 - pentru suprafete rugoase;

Deoarece avem de-a face cu piesa finita, aceasta fiind prelucrata anterior prin aschiere, va avea o suprafata neteda.

Pentru o viteza de circulatie a gazelor in interiorul cuptorului a carei valoare adoptata este v = 8 m/s, obtinem:

α_c = 7,12 · 8^0,78 = 36,05 [W/m² · K]

● α_ri = coeficient de transfer termic prin radiatie, se calculeaza cu relatia:

unde: T_C = temperatura cuptorului, in grade Kelvin;

T_{med i} = temperatura medie pe intervale, in grade Kelvin;

C₀ = constanta de radiatie a corpului negru , cu valoarea C₀ = 5,77 W/m² · K;

ε_r = grad redus de negreala, se calculeaza cu relatia:

unde: - ε₁ = grad redus de negreala al piesei incarcata in cuptor, cu valorile:

ε₁ = 0,9 pentru piese tratate anterior;

ε₁ = 0,7 0,8 pentru piese semifabricate;

ε₁ = 0,350,4 pentru piese cu luciu metalic.

Se adopta: ε₁ = 0,9

ε₂ = grad redus de negreala al zidariei refractare, cu valoarea ε₂ = 0,75.

- φ₁₂ = coeficient ce depinde de asezarea pieselor pe vatra. Se adopta φ₁₂ = 1.

- φ₂₁ = raportul dintre suprafetele de radiatie, se calculeaza cu relatia:

A_{tot.piesa finita} = 0,024 m²

A_tot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h) [ m² ]

A_tot.cuptor = 2 · (0,6 · 0,5 + 0,6 · 0,5 + 0,5 · 0,5) [ m² ]

A_tot.cuptor = (0,30 + 0,30 + 0,25) · 2 [ m² ]

A_tot.cuptor = 1,7 [ m² ]

Obtinem:

La incalzire:

Pentru o valoare a T_ttR = 640 [°C], vom calcula valoarea T_med.4 cu relatia folosita anterior: T

Obtinem:

Rezulta: α₁ = 36,05 + 72,45 = 108,5[W/m² · K]

α ₂ = 36,05+ 98,55 = 134,6 [W/m² · K]

α₃ = 36,05 + 136,77 = 172,82 [W/m² · K]

α₄ = 36,05+ 159,14 = 195,19 [W/m² · K]

6.2.3.2. Calculul criteriului Biot

Criteriul Biot este un criteriu adimensional si se calculeaza cu relatia:

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic total pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a piesei, se calculeaza cu relatia:

x = _piesa / 2 = 25 / 2 = 12,5 mm = 0,012 m

Obtinem:  

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa piesei finite, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria piesei finite;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i;

T_C = temperatura cuptorului, [°C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

t_inc.total  = t₁ + t₂ + t₃ + t₄

t_inc.total  = 73,6+113,6+236,5+180,9=604,6 [s]

6.2.4. Calculul timpului de mentinere

Timpul de mentinere se calculeaza cu relatia:

t_mentinere = D / 25 [h], deoarece D < 100 mm.

Obtinem: t_mentinere = 25 / 25 = 1 [h] = 3600[s].

6.2.5. Calculul curbei de racire

Se foloseste pentru racire aerul ca mediu de racire pentru a obtine o structura de echilibru cu o granulatie foarte fina. Racirea se face in aer linistit si se foloseste coeficientul de transfer termic α_aer, calculat anterior pe intervale la operatia de normalizare.

6.2.5.1. Calculul criteriului Biot

Criteriul Biot este un criteriu adimensional si se calculeaza cu relatia: ,

unde: - α_i = coeficientul de transfer termic total pe intervale;

λ_i = coductivitatea termica pe intervale;

x = dimensiunea principala a piesei, se calculeaza cu relatia:

x = _piesa / 2 = 25 / 2 = 12,5mm = 0,012 m

Fig.14. Calcul prin interpolare

Prin interpolare se determina α_{med. i} corespunzator temperaturilor medii ale

intervalelor.

Obtinem:    

Obtinem:

T

6.2.5.2. Calculul timpilor de racire

Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bi_mediu ≤ 0,25, piesa se considera subtire si calculul timpului de incalzire se face cu relatia:

unde: - m = masa semifabricatului, in kg;

c_i = caldura specifica pe interval;

A_sf = aria semifabricatului;

α_i = coeficient de transfer termic pe intervalul i;

T_med.r = temperatura mediului de racire, [T_med.r = 20 °C];

T_oi = temperatura initiala a intervalului i , [°C];

T_fi = temperatura finala a intervalului i , [°C].

Timpul total de racire este:

t_racire.total = t₁ + t₂ + t₃ + t₄

t_racire.total = 27,64+271,98+837,46+4825,23=5922,31 [s]

Curba de REVENIRE INALTA

6.2.6. Calculul numarului de utilaje necesare realizarii

volumului productiei date

Timpul de utilizare a unui cuptor se calculeaza cu relatia:

t_u = t_inc.tot + t_mentinere = 604,6 + 3600 = 4204,6 [s] = 1,16 [h]

Timpul ciclului de functionare se calculeaza cu relatia:

T_ciclu = K_a · t_u = 2 · 4204,6 = 8409,2 [s] = 2,33 [h] ,

unde K_a = coeficient necesar miscarii auxiliare.

Productivitatea incalzirii la tratamentul de calire martensitica se calculeaza cu relatia: , unde N - numarul de piese din sarja.

N = n₁ · n₂       

unde: d - diam. max. al piesei;

l - latimea cuptorului;

L - lungimea cuptorului.

Obtinem: n₁ = (600 - 100)/363 = 500/315 = 1,37 . Adoptam n₁ = 1.

n₂ = 500 / 25 =20 . Adoptam n₂ = 20.

N = 1 · 20 = 20 semifabricate

P_N = 0,958 · 20 / 2,33 = 8,22 kg/h.

Numarul de utilaje se calculeaza cu relatia:

unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;

K_i = coeficient ce depinde de gradul de incarcare al cuptorului (0,8÷0,9)

Se adopta K_i = 0,8;

F_r = fondul real de timp (F_r = (1 - t_a) · F_t );

F_t = fondul de timp al utilajului (F_t = 6777 ore/an);

t_a = timpul necesar pentru operatii auxiliare ( t_a = 0,15).

F_r = (1 − t_a) · F_t = (1 − 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.

Deoarece N_u = 4,48 T sunt necesare 5 cuptoare