la tehnologia tratamentelor termice si termochimice - prelucrarea la cald a otelului

 

TEHNOLOGIA TRATAMENTELOR TERMICE SI TERMOCHIMICE

Prelucrarea la cald a otelului

Cuptoare pentru recoacere, calire, maleabilizare, reincalzire, otelire 

Otelul este un aliaj din fier si carbon, unde procentul de carbon se regaseste in limitele normale de 0,02% si 6,5%.Carbonul, in functie de fazele prin care trece, se regaseste in diferite interstitii sau modificari cristaline, care sunt diferit de mari si care cauzeaza diferite distorsiuni ale retelei atomice. Deseori se aliaza si cu alte metale cum ar fi cromul, cobaltul, manganul, etc. care modifica de asemenea structura otelului si a retelei atomice.
Fierul pur se afla de la temperatura ambianta pana la temperatura de 911°C in structura cristalina cubica cu volum centrat (faza α ) si se mai numeste si ferita.La temperaturi mai inalte, intre 911°C si 1392°C este in structura cristalina cubica cu fete centrate ( faza γ) care se numeste si austenita si care intr-un interval foarte mic formeaza o retea cristalina cubica cu volum centrat numita si faza δ sau δFe. In functie de reteaua cristalina, carbonul se regaseste fie in forma tetraedrica sau octaedrica a retelei cristaline a fierului, care au marimi diferite si care la inmagazinarea atomilor de carbon duce la diferite distorsiuni ale structurilor cristaline/atomice.
Cu cat distorsiunile sunt mai puternice, cu atat otelul este mai calit. La racirea lenta a otelului dupa turnare, structura cristalina sufera transformari si trece in diferite faze cum ar fi faza de formare a austenitului, a feritului si faze mixte.Carbonul migreaza in timpul transformarii pe pozitia cea mai favorabila a structurii.
Capacitatea de absorbtie a structurii cristaline a fierului este limitata iar cand la racire se atinge solubilitatea maxima de carbon in otel, se produc separari de cementita, Fe₃C sau separari de grafit.Un amestec de ferita cu cementita se numeste perlita. La un continut mai ridicat de carbon in fier se formeaza ledeburita, o faza de amestec dintre austenita si cementita.Aceste faze sunt descriese in 'Diagrama de echilibru fier-carbon' aici o prezentare mai simpla:

Propriatatile otelului cum ar fi duritatea sau tenacitatea se determina in functie de distorsiunile structurii cristaline cat si a eliminarii si marimi cristalitelor. Prin diferite procese termice,se pot modifica dupa bunul plac proprietatile otelului.
Koyo Thermo Systems va ofera tehnologia si o varietate de cuptoare industriale pentru recoacere, maleabilizare, calire,revenire, durizare, calirea suprafetelor prin carburare, carbonitrare, nitrare si nitrocarburare.

Tratamente termice de maleabilizare si recoacere a otelului in cuptoare

La recoacere,incalzire se are in vedere aducerea la o anumita temperatura a piesei de prelucrat dupa care se urmareste o racire lina.
In acest fel se pot urmari mai multe obiective cum ar fi:
Maleabilizarea totala unde se urmareste marirea cristalitelor care au ca efect micsorarea rezistentei si a duritatii materialului, de dorit in anumite cazuri particulare.
Recoacerea de detensionare are loc la temperaturi mici cuprinse intre 480°C si 680°C si are ca scop inlaturarea tensiunilor din piesa prelucrata, tensiuni care se formeaza la deformari mecanice sau la diverse prelucrari.De altfel nu are loc modificarea proprietatilor otelului.
Recoacerea de omogenizare dureaza pana la 2 zile, are loc la temperaturi ridicate intre 1050°C si 1300°C si are ca rol o impartire egala, in structura cristalina, a atomilor straini.Viteza de racire stabileste formarea fazelor cat si a proprietatilor otelului.
Prin recoacerea de rectristalizare se intelege revenirea la formele cristaline initiale unei deformari la rece. Prin acest procedeu se incalzeste piesa la temperaturi putin peste temperatura de recristalizare de obicei la temperaturi intre 550° si 700°C. Temperatura de recristalizare depinde de material si de gradul de deformare.
Recoacerea de normalizare a otelurilor este una din principalele procedee de prelucrare la cald.Are ca obiectiv formarea unei structuri fine de cristalite, care sunt impartite egal peste piesa.La oteluri cu continut mai ridicat de carbon, temperatura de recoacere este putin sub 800°C; la oteluri cu continut mic de carbon, temperatura pentru recoacerea de normalizare creste pana la 950°C.
La recoacerea de inmuiere (globulizare) se urmareste reducerea difuziunilor de cementita si perlita, pentru a reduce rezistenta si duritatea otelului astfel incat sa se poata efectua mai usor deformari plastice si mecanice.Temperaturile obisnuite sunt cuprinse intre 680°C-780°C.
Koyo va ofera pentru toate aceste tratamente termice, cuptoare pentru caliri continue si discontinue, in vederea deservirii in conditii de exploatare atmosferice cat si a cuptoarelor cu vacum.

Calirea otelului

Otelirea in cuptorul de calire

La operatiunea de calire a otelului nealiat se incalzeste in prima faza piesa ce urmeaza a fi prelucrata, la o temperatura intre 800°C-900°C, daca e cazul unui otel cu continut scazut de carbon, si cu continut mare de austenit. La otelurile aliate, temperaturile pot avea variatii inseminate.
Pentru a impiedica coroziunea se insufla in cuptor gaz exoterm.Exotermele se pot obtine cu un generator de gaze, care se genereaza din hidrocarburi si mai contine pe langa CO si H₂, N₂, CO₂ si H₂O.

Generator pentru obtinerea de gaze exoterme

Dupa maleabilzare, otelul se va raci/cali rapid pentru a impiedica o migrare a atomilor de carbon pe structuri mai convenabile, acesta deoarece viteza de difuziune a atomilor de carbon devine destul de mica pentru a mai permite un schimb a structurii, respectiv a retelei atomice.
Structura cristalina a fierului se modifica totusi la temperatura scazanda astfel formanduse martensita sau asa zisa transformare martensitica, denumit si otel martensitic. Din cauza defectelor in structura si a tensiunilor, martensita este casanta, foarte dura si aspra dar si greu deformabila.
La piese groase sunt necesare sesiuni de racire inalte pentru a permite calirea lor.In practica piesele se racesc in ulei sau bai cu apa.Cea mai efectiva este calirea in apa deoarece apa are proprietatea de a a dispersa bine caldura.La scufundarea in baia de apa se formeaza in prima faza pe suprafata piesei un strat de abur, rau dispersor de caldura, acest fenomen numinduse si 'Efect Leidenfrost'.Trebuie urmarit ca piesa sa fie in asa fel scufundata ca lichidul sa aibe un contact pe toata suprafata sa. Alternativ se pot folosi si diferite solutii polimerice care se pot adauga la baia de calire.
Incalzirea pieselor se poate efectua in cuptoare transportoare actionate cu lant sau cuptoare actionate cu role transportoare (conveioare), piesele cazand sau alunecand la capatul acestora in baia de calire sau mai pot ajunge si intr-un cuptor cu hota la care incarcarea se face de jos in sus permitand astfel o evacuare rapida a pieselor de dimensiuni mari.

Si cuptoarele cu vacum sunt folosite in procesele de calire. Depresiunea creata impiedica oxidarea respective revenirea suprafetei pieselor prelucrate.

Spalarea pieselor

Dupa calirea in ulei sau emulsii este necesara o spalare a pieselor inainte de a intra in cuptorul de maleabilizare. Firma Koyo va prezinta o gama intreaga de astfel de masini de spalat totodata existand si posibilitatea integrarii masinilor de spalat in cuptoare de calire. Astfel toti acesti pasi cum ar fi incalzirea, calirea, spalarea si revenirea se pot face cu o singura instalatie.

Spalarea dupa calire

Maleabilizarea sau revenirea otelului in cuptoare de revenire

Dupa calirea otelului acesta devine foarte dur, dar si foarte casant. Acest efect se poate contracara prin reincalzirea piesei.
La intervalul de temperatura de sub 100°C, rezulta o imbogatire cu atomi de carbon in zona cu defecte ale structurii atomice a otelului martensitic. La temperaturi intre 100°C si 200°C atomi de carbon incep sa migreze din pozitiile nefavorabile ale structurii. Incepe eliminarea de cementita. La continuarea cresteri temperaturii acest process se amplifica. Peste temperatura de 320°C practic toti atomii de carbon parasesc pozitiile nefavorabile ale structurii iar la temperatura de 400°C nu mai au loc schimbari la nivel structural iar otelul devine moale. La otelurile aliate cu crom, vanadiu, molibden si wolfram, duritatea ia amploare in acest interval de temperatura cand se fac cedari de carbizi.Calirea secundara este importanta pentru prefabricate, deoarece trebuie sa isi pastreze duritatea si la temperaturi inalte.
In general odata cu cresterea temperaturii de maleabilizare/revenire scade si duritatea otelului. La contact cu aerul ia nastere o oxidare a suprafetei, care are ca efect decolorarea piesei. Timpul necesar maleabilizarii/reveniri este in functie de volumul si masa piesei.

Calirea suprafetelor

Opusul durizarii prin calire si maleabilizare/revenire, la care se caleste intregul material, este calirea la suprafata.Suprafata dura se poate combina cu miezul moale al materialului. Pentru aceast proces exista mai multe procedee.

Cementarea sau carburarea

Procesul de cementare se utilizeaza la otelurile sarace in carbon. Piesa se caleste cu ajutorul unui gaz endoterm bogat in carbon.
Gazul endoterm se obtine cu ajutorul unui reactor de gaze din metan, etan sau propan si consta in mare masura din monoxid de carbon CO, hidrogen si azot.

Generator pentru obtinerea de gaze endoterme

Otelul incalzit la 900°C-1000°C in cuptoarele de cementare respectiv cuptoare de maleabilizare/revenire, preia carbon din gazul endoterm. Concentratia de carbon se poate creste pana la limita de solubilizare si transforma in austenita ( adancimea de cca. 1 mm ).Aici firma Koyo va pune la dispozitie cuptoarele de tip KCF. Procesul de cementare se poate efectua cu ajutorul cuptoarelor continue sau cu ajutorul unui dispozitiv discontinuu. Sistemele de transport intr-un cuptor cu trecere continua pot fi sisteme cu role ceramice, transport cu grilaje sau cu propulsie.

Si cuptoarele cu vatra rotativa se utilizeaza in acest process. In aceste dispozitive se pot integra si operatiile de calire, spalarii pieselor cat si a procesului de cementare.

Cuptor continuu cu vatra rotativa pentru procesul de cementare a otelului

Otelirea prin carbonitrare repectiv carbonitrizare

La carbonitrare, in timpul incalzirii se adauga in faza gazoasa langa carbon si azot, ceea ce duce la formarea unor nitriti pe suprafata piesei de prelucrat. Azotul se introduce la carbonitrarea cu gaz sub forma de amoniac NH₃
Daca operatia de carbonitrare se face la temperaturi mici de 650°C-770°C, atunci azotul poate difuza si se formeaza un strat de martensita cu continut de azot si cu un strat subtire din nitrizi si carbizi. La carbonitrarea peste 770°C pana la 930°C acest strat nu se mai formeaza, deoarece carbonul se poate difuza mai bine.Azotul stabilizeaza faza de austenita si permite o calire mai blanda dar in acelasi timp cu o duritate ridicata. Stratul durizat calit este totusi mai subtire decat la cementare, revenire iar transformarea spre interiorul materialului este mai puternica.
Ca si la carburare in fazele gazoase urmeaza operatiile cum sunt calirea si maleabilizarea/revenirea.

Otelirea prin nitrare, nitrizare si nitrocarburarea.

La nitrare respectiv nitrizare in cuptoare difuziunea de azot are loc la temperaturi mici de 500°C-550°C. Sursa este amoniacul. In acest fel are loc difuziunea azotului in otel, care se depoziteaza intre locurile din structura cristalina.Acest lucru duce la o tensionare a structurii cristaline si automat la o durizare a materialului. Nu mai este necesara o calire aceasta nemai avand la baza formarea unui strat de martensita.La racire se elimina partial nitriti. La nitrocarburare se adauga pe langa azot si carbon obtinut din monoxid de carbon si hidrocarburi in faza gazoasa.Carbonul se regaseste numai la marginea materialului, deoarece solubilitatea sa in otel este mica acesta continand deja azot, in acest fel difuziunea fiind destul de proasta.La racire se formeaza carbonitrati.Timpul necesar durizarii prin nitrocarburare este mai mic decat la nitrare.
Otelurile nitrate si carbonitrate au o suprafata subtire foarte dura si foarte glisanta dar care nu e foarte buna la uzura iar rezistenta la rupere este mica.Densitatea suprafetei are o rezistenta mare la coroziune si poate fi mai usor polizata.

Echipament de automatizare si informatizare pentru cresterea gradului de inteligenta al proceselor de tratament termic

Descrierea sistemului de automatizare

Pentru procesele termice de cementare/calire si recoacere in atmosfera gazoasa a fost realizata o configuratie alcatuita din patru automate programabile (PLC-uri) (vezi Figura1). Fiecare automat programabil fiind configurat conform procesul tehnologic aferent tipului de cuptor. PLC-urile sunt conectate pe linie de comunicatie seriala in varianta ' Multi-drop' la un PC destinat conducerii si monitorizarii procesului tehnologic. Sistemul asigura urmatoarele functiuni:

monitorizarea parametrilor analogici si digitali;

reglarea si indicarea temperaturilor in cuptorul de tratament conform diagramelor temperatura/timp;

reglarea raportului debit aer/gaz metan in functie de analiza de umiditate ( punct de roua) din amestecul rezultat destinat atmosferei gazoase specifice tratamentului termic;

reglare debit amoniac;

reglare raport gaz metan/ gaz ENDO functie de analiza de concentratie CO (potential de carburare)

realizare ecrane operationale pentru conducerea si supravegherea in timp real a procesului

Prezentarea programelor
Programul de comanda si supraveghere aferent cuptoarelor este realizat cu ajutorul pachetului de dezvoltare al automatului programabil si ruleaza in memoria acestuia. Este un program structurat pe tipuri de tratamente fiind alcatuit din urmatoarele subrutine: calire, recoacere, cementare/calire-tip1, cementare/calire-tip2, cementare + 2 caliri-tip1, cementare + 2 caliri-tip2. Fiecare subrutina contine diagrama temperatura/timp aferenta tipului respectiv de tratament termic. Selectarea unuia dintre tipuri si implicit a subrutinei respective se face automat in functie de codul reperelor introduse in cuptor, conform programului de sortare repere si formare sarja.
Reglarea raportului debit aer/gaz metan, debitului de amoniac, raportului gaz metan/ gaz ENDO se face prin blocuri de reglare de tip PID incluse in pachetul de dezvoltare al PLC-ului. ( vezi Figura2)

In Figura 2 este prezentat ecranul pentru reglare debite, care contine trei regulatoare de debit : FIC1 - bucla de reglare debit gaz ENDO, FIC2- bucla de reglare debit gaz metan, FIC3 - bucla de reglare debit amoniac. Pe fiecare din cele trei blocuri apar sub forma de bargraf parametrii corespunzatori buclei: OUT% - iesirea buclei in procente, PV[m3/h] - valoarea masurata din proces, SV[m3/h] - valoarea de referinta, UP, DN - butoane pentru incrementare/decrementare iesire in cazul regimului manual, grafice cu valoarea parametrilor in timp real.
Programul pentru sortarea reperelor si formarea sarjei este scris si limbajul Visual Basic si contine algoritmul de selectie si conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca reperele pentru formarea unei sarje ( ex. masa totala repere, material, tip de tratament, etc. ). Datele referitoare la reperele care urmeaza a fi tratate termic au fost centralizate intr-un fisier de tip Excel, datorita avantajelor legate de usurinta adaugarii de noi repere. Prin intermediul tehnicii DDE ( Dynamic Data Exchange - schimb dinamic de date) se deschide un canal de comunicatie spre Excel , se interogheaza tabelul si se extrag caracteristicile reperului dorit de operator, verificandu-se compatibilitatea acestuia si sarja.

Ecrane operationale
Statia de monitorizare este un calculator industrial / PC conectat la reteaua de automate programabile pe linie seriala prin interfata RS485, in scopul comenzii si monitorizarii in timp real a parametrilor cuptoarelor. Cu ajutorul pachetului software Cimplicity au fost realizate diferite tipuri de ecrane operationale dintre care putem mentiona : ecran general, ecran reglare debite, ecran temperaturi, ecran formare sarja.De asemenea au fost realizate rapoarte de date si alarme si inregistrari in timp ale parametrilor aferenti proceselor tehnologice.

Concluzii
Configuratia realizata asigura comanda si monitorizarea in timp real a parametrilor tehnologici aferenti cuptoarelor de tratament termic Adoptarea acestei solutii de automatizare pentru procesele de tratament termic asigura multiple avantaje. Dintre acestea putem mentiona, comanda si supravegherea de la distanta a procesului tehnologic, furnizarea de date si informatii catre personalul de decizie responsabil cu siguranta si anume:

evenimente deosebite (data si timpul producerii evenimentului );

informatii asupra uzurii elementelor de executie;

texte explicite de ajutor decizional privind intretinerea;

elaborarea de rapoarte zilnice;

memorarea datelor de interes pentru analize periodice la nivelul managementului;