Incalzirea materialelor in vederea deformarii plastice

INCALZIREA MATERIALELOR IN VEDEREA DEFORMARII PLASTICE.

Incalzirea se realizeaza cu scopul reducerii rezistentei la deformare si cresterii plasticitatii. Prin reducerea rezistentei la deformare are loc reducerea fortelor de deformare, a gabaritului utilajelor, a puterilor instalate, a energiei consumate pentru deformare. Prin cresterea plasticitatii se asigura reducerea numarului de presari si deci a timpului de deformare, reducerea pericolului de fisurare a materialului, cresterea gradului de deformare admisibil etc. O incalzire corecta trebuie sa conduca la o structura cu deformabilitate buna, pierderi minime prin oxidare sau decarburare, tensiuni interne de nivel minim si evitarea aparitiei fisurilor in timpul incalzirii si deformarii.

Principalii parametri ai procesului de incalzire sunt: temperatura de incalzire, viteza de incalzire, durata de mentinere pentru egalizarea temperaturii in semifabricat.

a) Temperatura de incalzire se alege in functie de material. De fapt incalzirea se face intr-un interval de temperaturi delimitat superior de temperatura de inceput de deformare T_id si superior de temperatura de sfarsit de deformare T_sd. Pentru evitarea fenomenelor de supraincalzire care constau in cresterea excesiva a grauntilor si accelerarea proceselor de oxidare in special la limita de graunte cu efecte negative asupra plasticitatii, temperatura de inceput de deformare se alege mult sub punctul solidus temperatura de sfarsit de solidificare T_id=T_s+200^oC. Pentru evitarea aparitiei fenomenului de ecruisare temperatura de sfarsit de deformare se alege deasupra temperaturii de recristalizare T_sd=T_R+50^oC. Alegerea corecta a celor doua temperaturi se face in urma unor cercetari efectuate asupra fiecarui aliaj in parte pentru stabilirea influentei temperaturii asupra rezistentei la deformare si asupra plasticitatii. Cercetarile evidentiaza faptul ca in cazul aliajelor cu structuri monofazice rezistenta la deformare variaza cu temperatura dupa o lege exponentiala , figura 4.3.

Fig.4.3. Variatia rezistentei la deformare cu temperatura

Avand in vedere comportarea diferita in timpul deformarii a grauntelui si a limitei de graunte, au fost trasate curbele de variatie a rezistentelor la deformare cu temperatura pentru aceste zone, figura 4.4a constatandu-se ca la temperaturi mai inalte decat o temperatura critica de supraincalzire T_cr rezistenta limitei de graunte scade mult fata de rezistenta grauntelui ca urmare a fenomenelor de supraincalzire (crestere grauntilor, scaderea densitatii limitei de graunte, cresterea cantitatii de oxizi la nivelul limitei de graunte etc.) determinand fisurarea la cald la nivelul limitei de graunte. Tendinta de fisurare la cald la temperaturi apropiate de temperatura punctului solidus Ts este pusa in evidenta si prin trasarea curbei de variatie a plasticitatii cu temperatura, figura 4.4b.

Fig. 4.4 a).Variatia rezistentei grauntelui si a limitei de graunte cu temperatura b).Variatia plasticitatii cu temperatura.

Plasticitatea se exprima prin gradul de deformare admisibil ε_adm, respectiv gradul de deformare unitar corespunzator deformarii fara riscul de fisurare. Suprapunerea curbelor de variatie a rezistentei la deformare si a plasticitatii cu temperatura, figura 4.5 permite alegerea corecta a intervalului temperaturilor de deformare plastica la cald. Intervalul se alege in jurul maximului de plasticitate chiar daca rezistenta la deformare variaza in limite largi. Se recomanda chiar ca in urma incalzirii materialul sa prezinte o rezistenta la deformare suficient de mare deoarece scaderea exagerata a acesteea accentueaza pericolul fisurarii la cald.

Fig. 4.5 Alegere a intervalului temperaturilor de deformare plastica la cald.

La materialele care prezinta transformari de faza in stare solida la incalzire, curba de variatie a plasticitatii cu temperatura prezinta un aspect mai complex. Prezentam in figura 4.6 curba de variatie a plasticitatii la incalzirea unui otel hipoeutectoid cu continut scazut de carbon.

Fig.4.6 Variatia plasticitatii la incalzirea unui otel hipoeutectoid cu continut scazut de carbon.

In zona I plasticitatea otelului scade datorita precipitarii carburilor tertiare la limita grauntilor de ferita. In zona II plasticitatea creste ca urmare a dizolvarii carburilor la incalzirea feritei. In zona III structura este bifazica formata din ferita si austenita si plasticitatea scade. In zona IV structura este monofazica formata din austenita si plasticitatea variaza dupa o curba cu maxim.

In mod practic alegerea intervalului temperaturilor de deformare la cald se face utilizand diagramele de echilibru ale aliajelor. In figura 4.7 prezentam alegerea domeniului de temperaturi de deformare la cald a otelurilor utilizand diagrama fier-cementita (zona hasurata).

Fig.4.7 Alegerea domeniului de temperaturi de deformare la cald a otelurilor utilizand diagrama fier-cementita (zona hasurata).

b). Viteza de incalzire.

Viteza de incalzire se alege si se limiteaza pentru evitarea pericolului de fisurare determinat de tensiunile interne periculoase dezvoltate in material datorita incalzirii neuniforme. Astfel la suprafasa incalzirea este rapida si materialul cauta sa se dilate pe cand in zona centrala, in miez, incalzirea este mai lenta materialul se dilata mai putin sau chiar deloc in primul moment. La interactiunea acestor zone cu tendinte de dilatare diferite apar tensiuni. Daca aceste tensiuni depasesc nivelul tensiunilor admise atunci materialul fisureaza. Rezulta de aici necesitatea limitarii tensiunilor termice, a diferentei de temperatura dintre suprafata si miez deci a vitezei de incalzire a semifabricatului. Pentru calcului vitezei admisibile de incalzire se pleaca de la legea lui Hooke generalizata: in care:

ε₁ deformatia relativa pe directia principala 1,

E modulul de elasticitate

σ ₁, σ₂, σ₃ tensiunile pe cele trei directii principale.

ν coeficientul lui Poison

Daca pentru simplificare consideram corpul cilindric, caz in care tensiunile satisfac relatia , ecuatia corespunzatoare legii lui Hooke devine

Daca se considera ca tensiunea σ ₁ si deformatia ε₁ se datoreaza incalzirii corpului in intervalul Δt de temperatura atunci

Daca vom considera cazul real al inceputului procesului de incalzire, intre suprafata si miezul semifabricatului se manifesta , datorita incalzirii diferentiate o diferenta de temperatura Δt=t_s-t_m in care : t_s este temperatura suprafetei si t_m este temperatura miezului. Aceasta diferenta atinge valoarea maxima intr-un anumit interval de timp τ corespunzator caruia temperatura miezului ramane egala cu temperatura initiala t_m=t₀ iar temperatura suprafetei ajunge la valoarea t_sτ . Δt_max = t_sτ-t₀

Variatia relativa a dimensiunilor corpului incalzit diferentiat, considerandu-se ca temperatura variata liniar de la suprafata spre miez, are valoarea . Aceasta variatie a dimensiunilor corpului incalyit determina in corp o tensiune .

Pentru ca respectivul corp sa nu fisureze este necesara limitarea tensiunilor sub valorile admisibile pentru materialul considerat ceeace inseamna in acelasi timp ca . In aceste conditii ecuatia devine:

.

Din termotehnica se cunoaste ca diferenta de temperatura dintre miez si suprafata la incalzire depinde de viteza de incalzire -v , raza semifabricatului -R sau semigrosimea, difuzibilitatea termica a materialului -a. unde: in care: -λ conductibilitatea termica, -c caldura masica, -ρ densitatea.

Daca se limiteaza diferenta de temperatura intre miez si suprafata la o valoare Δt_adm atunci: .

Inlocuind valoarea Δt_adm in relatia efortului admisibil vom obtine:

Avand in vedere ca marimile fizice si mecanice care intervin in relatia de calcul a vitezei admisibile variaza cu temperatura, relatia se pecomanda pentru inceputul procesului de incalzire, la temperatura mediului ambiant. La orice alta temperatura diferita de temperatura standard pentru care au fost stabilite proprietatile materialelor vom obtine alte valori ale vitezei admisibile de incalzire. Determinarea riguroasa a vitezei admisibile la diferite temperaturi este dificila si de aceea pentru stabilirea practica a diagramelor de incalzire se utilizeaza criterii de similitudine.

Criteriul Biot unde α este coeficientul de transmisie a caldurii,

Criteriul Fourier unde τ este timpul de mentinere pentru egalizarea temperaturii in semifabricat,

Criteriul de temperatura .

Criteriul Biot permite alegerea tipului de diagrama de incalzire.

Pentru Bi<0,25 semifabricatele se considera subtiri din punct de vedere termic, incalzirea lor se poate face intr-o singura treapta. Pentru 0,25≤Bi≥0,5 semifabricatele sunt considerate de grosime mijlocie, incalzirea lor facandu-se in doua trepte de incalzire. Pentru Bi>0,5 Semifabricatele sunt considerate groase din punct de vedere termic incalzirea fiind recomandata in trei trepte de incalzire sau continuu urmarind permanent ca viteza de incalzire sa fie inferioara vitezei admisibile. Criteriul Fourier permite determinarea timpului necesar incalzirii iar criteriul de temperatura permite determinarea diferentei de temperatura admisibila intre suprafata si miez. Aceste ultime criterii completeaza criteriul Biot in vederea definitivarii formei diagramei de incalzire, a alegerii temperaturii cuptorului la introducerea semifabricatului. Pentru exemplificare vom prezenta in figura 4.8 cateva forme de diagrame de incalzire

Fig. 4.8 Forme de diagrame de incalzire.

In cazul diagramei I incalzirea se face cu viteza mare. Piesele se introduc in cuptor la o temperatura Tc_o> T_id . In timp ce piesele se incalzesc, cuptorul se raceste pana la temperatura Tc₁=T_id+50^oC. Diferenta de temperatura intre suprafata si miez Δt₁ =t_s-t_m este mare dar mai mica decat Δt_adm.

In cazul diagramei II viteza de incalzire este ceva mai mica, piesele se introduc in cuptor la Tc_o=T_id+50^oC. Diferenta de temperatura Δt₂< Δt₁ , aceasta este cea mai utilizata forma de diagrama.

In cazul diagramei III viteza de incalzire este si mai mica. Piesele se introduc in cuptor la o temperatura Tc_o<T_id . Cuptorul se incalzeste progresiv o data cu piesele pana la Tc₁=T_id+50^oC. Diferenta de temperatura intre suprafata si miez Δt₃<Δt₂<Δt₁ .

Pentru asigurarea unor viteze si mai mici de incalzire si in consecinta a unor diferente de temperatura si mai mici intre suprafata si miez se recomanda utilizarea diagramelor de incalzire in doua trepte IV si respectiv trei trepte de incalzire V, figura 4.9.

Fig.4.9 Diagrame de incalzire in doua si trei trepte

c). Durata de mentinere.

Pentru realizarea incalzirii si uniformizarii temperaturii pe toata grosimea semifabricatului acesta se mentine in cuptor un interval de timp τ_m.

In mod riguros acesta se poate determina utilizand criteriul Fourier

O determinare rapida bazata pe experienta de productie este posibila utilizand relatia in care: -k₁=10-20 in functie de material, masa semifabricatului, etc. ; -k₂=1-4 in functie de modul de asezare a pieselor in cuptor, de tipul cuptorului sau a instalatiei de incalzire etc.

Fenomene la incalzirea semifabricatelor.

Principalele fenomene care insotesc procesul de incalzire a semifabricatelor sunt oxidarea si decarburarea. Factorii care influenteaza aceste fenomene in sensul favorizarii lor sunt: compozitia materialului incalzit, refractaritatea materialului, temperatura de incalzire, durata incalzirii, suprafata semifabricatului, calitatea atmosferei din incinta cuptorului etc.

Oxidarea. Reactiile care stau la baza procesului de oxidare in atmosferele cuptoarelor de incalzire ale pieselor din otel sunt:

2Fe+O₂=2FeO

Fe+CO₂=FeO+CO

Fe+H₂O=FeO+H₂

6FeO+4O₂=2Fe₃O₄

3FeO+CO₂=Fe₃O₄+CO

3Fe+H₂O= Fe₃O₄+H₂

4Fe₃O₄+O₂=6Fe₂O₃

2Fe₃O₄+CO₂=3Fe₂O₃+CO

2Fe₃O₄+H₂O=3Fe₂O₃+H₂

Decarburarea. Reactiile care stau la baza procesului de decarburare a otelurilor in atmosfera cuptoarelor de incalzire sunt:

2Fe₃C+O₂=6Fe+2CO

Fe₃C+CO₂=3Fe+2CO

Fe₃C+H₂O=3Fe+CO+H₂

Fe₃C+2H₂=3Fe+CH₄

Decarburarea este mai puternica la inceputul incalzirii dupa care datorita oxidarii si formarii peliculei de oxizi viteza de decarburare scade. Elementele de aliere din oteluri cum ar fi W, Al, au o mare influenta in procesul de decarburare favorizand descompunerea cementitei. Datorita acestui fapt otelurile rapide inalt aliate cu W nu se incalzesc pentru deformare plastica sau tratament termic in atmosfera ci in bai de saruri care asigura limitarea fenomenului.

Instalatii de incalzire

Instalatiile de incalzire trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: sa asigure incalzirea intr-un timp cat mai scurt pana la temperatura de deformare, temperatura in cuptor trebuie sa fie uniforma si sa nu se modifice esential la introducerea si scoaterea pieselor, temperatura sa se poata regla usor si precis, atmosfera sa nu fie agresiva, oxidanta, decarburanta, sa permita o manipulare usoara a pieselor, sa asigure un randament ridicat la incalzire, sa aiba productivitate corespunzatoare, sa corespunda din punct de vedere a securitatii muncii si protectiei mediului etc.

Clasificare instalatiilor de incalzire.

I. Dupa sursa de incalzire: 1) cuptoare cu flacara la care incalzirea se face prin arderea unui combustibil solid, lichid sau gazos; 2) cuptoare si instalatii electrice cu incalzire cu rezistenta electricasau cu incalzire prin inductie.

II. Dupa repartitia temperaturilor si modul de deplasare a materialelor in cuptor: 1) cuptoare cu temperatura repartizata uniform, materialul fiind incarcat in repaus pe vatra fixa sau mobila, 2) cuptoare cu temperaturi repartizate variabil pe zone, material incarcat in miscare in cuptor cu vatra fixa si camera de preincalzire, sau material incarcat in cuptoare cu vatra orizontala cu propulsor, sau material incarcat in cuptor cu vatra inclinata cu deplasare prin rostogolire, sau material incarcat in cuptor cu vatra mobila cu transportor, cu vatra pasitoare, cu vatra cu role, cu vatra tip vagonet, cu vatra carusel etc.

III. Dupa modul de transmitere a caldurii: 1) directa de la gazele arse care scalda piesele de incalzit, 2) semidirecta de al gazele arse care incalzesc atmosfera din cuptor, 3) indirecta gazele arse nu vin in contact cu pieseleeste cazul cuptoarelor cu tuburi radiante sau a cuptoarelor cu nufa. Tot in aceasta categorie ar putea fi incluse instalatiile de incalzire in bai de saruri, cuptoarele cu rezistenta electrica in incinta, 4) Prin transformarea energiei electrice in caldura prin efect Joule-Lentz pe rezistenta electrica proprie a materialului de incalzit.

IV. Dupa calitatea atmosferei in contact cu materialul incalzit: 1) atmosfera oxidanta viciata de gazele de ardere, 2) atmosfera partial oxidanta cuptoare la care gazele arse nu ajung in contact cu piesele dar atmosfera este cea obisnuita, 3) atmosfera de protectie preparata in stati di exteriorul cuptorului.

V Dupa marimea semifabricatelor: 1) cuptoare mici pentru laboratoare, 2) cuptoare mijlocii pentru semifabricate destinate forjarii si matritarii 3) cuptoare mari cuptoare cu propulsie pentru incalzirea bramelor si blocurilor turnate continuu in vederea laminarii, cuptoare adanci pentru incalzirea lingourilor, cuptoare clopot cu bolta rabatabila pentru incalzirea pieselor mari destinate forjarii la prese.